Lo spazio, compresa la zona più alta dell'atmosfera terrestre, è popolato da molte particelle ad alta energia che possono danneggiare i dispositivi a semiconduttore. Ad esempio, ci sono elettroni e protoni nelle fasce di Van Allen, raggi cosmici galattici (che comprendono circa l'85% di protoni, il 15% di particelle alfa e l'1% di ioni pesanti) e raggi cosmici da brillamenti solari (che contengono anche raggi ultravioletti e X-rays). In generale ci sono due grandi categorie di effetti (cumulative e single-event) che producono cambiamenti nei parametri operativi dei circuiti microelettronici.
Introduzione
L'unico elemento eccezionale che contraddistingue l'ambiente spaziale è la presenza di radiazioni. L'ambiente naturale è costituito da elettroni e protoni intrappolati dai campi magnetici planetari (Terra, Giove, ecc.), e una frazione molto piccola di nuclei prodotti in eventi solari energetici e raggi cosmici (nuclei atomici molto energetici) prodotti in esplosioni di supernova all'interno e all'esterno della nostra galassia. All'interno di grandi strutture spaziali come International Space Station, il flusso di raggi cosmici, costituito essenzialmente dall'85% di protoni e 15% di nuclei pesanti, è parzialmente convertito in neutroni secondari in seguito a varie collisioni con il materiale della struttura. Questi neutroni secondari possono presentare un'ulteriore minaccia tramite effetti single-event per l'elettronica a bordo. L'ambiente spaziale ha un basso rateo di dose di ~ 10-4 a 10-2 rad / s. Ma le durate delle missioni spaziali possono essere in anni, con una conseguente grande dose accumulata.
Neutroni, protoni, particelle alfa, ioni pesanti e raggi gamma ad altissima energia trasferiscono energia sufficiente al silicio per spostare gli atomi nel reticolo causando difetti nella loro chimica. Le particelle cariche e i raggi gamma creano ionizzazione che può alterare i parametri del dispositivo. Questi cambiamenti sono stimati in termini del parametro dose ionizzante totale (TID). La dose ionizzante assorbita è comunemente misurata in rad, un'energia assorbita di 100 erg su grammo di materiale (il rad è stato sostituito nel corso degli anni dal gray - 1 rad = 0.01 Gy)). Poiché la perdita di energia per unità di massa varia da un materiale ad un altro, il materiale su cui è depositata la dose viene sempre specificato nell'unità di misura [per esempio rad (Si) o rad (GaAs)].
Effetto cumulativo
Quando la radiazione incidente colpisce un materiale semiconduttore come il silicio, una coppia di elettroni può essere creata se un elettrone viene eccitato attraverso la band gap nella banda di conduzione del materiale. Se è presente un campo elettrico, gli elettroni sono facilmente spazzati via perché la loro mobilità dentro il silicio è molto più grande di quella delle lacune. Le coppie elettroni-lacune generate nel gate di un dispositivo a semiconduttore di ossido di metallo (MOS) come un transistor sono rapidamente separati dal campo elettrico [...]
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La radiazione spaziale crea molti problemi all’elettronica, non e’ un caso che le tecnologie nasa sono molto sofisticate.
interessante! domandona però: come hanno fatto nelle prime missioni spaziali ad ovviare a questi inconvenienti per l’elettronica di bordo? immagino che nei primissimi anni delle “esplorazioni” nello spazio non si era a conoscenza di queste radiazioni e che interferivano con i circuiti di bordo causandone, nei casi + gravi, il blackout totale….
per esempio, quando l’uomo andò per la prima volta nella luna, come hanno fatto a proteggere l’elettronica di bordo?
Metalli di spessori ragguardevoli e densità alta (invar, titanio, cromo, piombo) in spessori opportuni, anni fa il peso non era un vincolo; o meglio lo si tollerava un po di più che in questi anni di corsa allo spazio commerciale.
Oggi si mira ad alleggerire i sistemi in maniera estrema, ma contestualmente l’affidabilità è notevolmente aumentata e la qualità del prodotto è sotto gli occhi di tutti (TV via satellite, Telefonia via satellite, dati).
Le velocità degli attuali sistemi è tale da non tollerare neanche sistemi evento singolo, quando ad essere impattati sono i computer di bordo che gestiscono tutto il satellite. Molta cura oggi va posta in questi sistemi di protezione, e nuove strade di ricerca si stanno aprendo.