Avaliação pioneira de transistores GaN em satélites geoestacionários

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 12886 (2022) Citar este artigo

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Neste artigo, apresentamos os resultados de um experimento de 6 anos no espaço que estudou os efeitos da radiação na eletrônica de Nitreto de Gálio (GaN) em órbita geoestacionária. Quatro transistores GaN em uma configuração de oscilador Colpitts voaram no Component Technology Test-Bed a bordo do satélite de telecomunicações Alphasat. Uma análise heurística foi realizada observando a variação na potência de saída dos osciladores com a dose ionizante total coletada durante a missão. A dose ionizante total foi medida com Transistores de Efeito de Campo Sensores de Radiação (RadFET) colocados próximos aos dispositivos GaN. O experimento mostrou que o GaN é uma tecnologia robusta que pode ser utilizada no ambiente de radiação espacial de uma órbita geoestacionária. O trabalho aqui apresentado começa com uma breve introdução sobre o assunto, a motivação e o objetivo principal. Segue-se a descrição da montagem experimental, incluindo os detalhes do projeto do oscilador e simulações, bem como a implementação do test-bed e do Components Technology Test-Bed. Por fim, são discutidos os resultados obtidos durante os 6 anos de experiência no espaço.

Em 2012, um consórcio constituído pela EFACEC, pelo Instituto de Telecomunicações, pela EVOLEO Technologies, pelo Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP) e pelo Instituto Ferdinand Braun (FBH) iniciou um projeto financiado pela Agência Espacial Europeia para desenvolver diversas experiências a bordo o satélite de telecomunicações Alphasat. Os experimentos faziam parte do Technology Demonstration Payload (TDP-8). Incluía um novo tipo promissor de transistor de RF para aplicações espaciais e militares com base em nitreto de gálio (GaN). O objetivo foi verificar e explorar a possibilidade de utilização da tecnologia GaN produzida na Europa em satélites geoestacionários. Se GaN operar com sucesso em condições espaciais, os fabricantes europeus de satélites podem se beneficiar de ter transistores de potência de RF inovadores e altamente eficientes e MMICs trabalhando em frequências mais altas. A longo prazo, eles podem até mesmo substituir os atuais TWTA (amplificadores de tubo de ondas viajantes) e outras tecnologias a bordo dos satélites.

O experimento voou continuamente em órbita de 2013 a 2019 e é o primeiro experimento de GaN a bordo de satélites geoestacionários na Europa. Forneceu evidências sobre a capacidade dessa tecnologia de operar no espaço e se tornar uma solução viável para substituir o TWTA em futuras missões de satélite e espaço (Apesar de seu maior consumo intrínseco, consomem energia com necessidade de resistores de aquecimento). A robustez operacional do espaço foi demonstrada pela operação dos dispositivos GaN em um ambiente de radiação espacial operacional real. A radiação no espaço é um perigo para todos os sistemas que podem degradar o desempenho ou até interromper permanentemente a operação. É composto de três partes: raios cósmicos galácticos (GCRs), partículas de energia solar (SEPs) e partículas aprisionadas. A órbita geoestacionária é altamente exposta a todos os três componentes. Enquanto os GCRs compreendem um fluxo baixo e constante de prótons altamente energéticos e íons pesados ​​que podem causar efeitos de evento único (SEEs), os SEPs consistem em um fluxo muito grande de partículas carregadas energeticamente emitidas pelo Sol em eventos estocásticos que podem fornecer uma alta dose ionizante total. (TID) em um curto período de tempo. O cinturão de Van Allan que prende essas partículas se estende até a órbita geoestacionária, ou seja, na forma de um cinturão de elétrons externo com energias de até ~ 10 MeV, que pode penetrar na blindagem da espaçonave e levar a altos níveis de TID1.

Embora os estudos de dano por radiação de GaN ainda estejam em fase inicial, sabe-se que o principal mecanismo de degradação de radiação é causado por danos de deslocamento de prótons e elétrons e queima de evento único (SEB) quando expostos à radiação de íons pesados2,3,4. A dureza inerente dos dispositivos GaN Schottky gated para TID vem do fato de que os contatos de metal-óxido-semicondutor (MOS) não estão presentes. O número de armadilhas geradas nas proximidades do eletrodo de porta é, portanto, diminuído. Essas armadilhas levam a efeitos TID no desempenho do dispositivo (aumento do vazamento e mudança da tensão limite)2. O dano por deslocamento ocorre quando uma partícula incidente colide com o núcleo de um átomo da rede, transferindo energia suficiente para deslocá-lo. Átomos deslocados podem formar defeitos ou armadilhas estáveis, resultando em diminuição da mobilidade, mudança de voltagem limite, diminuição da transcondutância e diminuição da corrente de saturação de dreno3. O SEB ocorre quando uma partícula incidente passa por uma região de alto campo no dispositivo e, assim, induz um estado localizado de alta corrente, que pode levar a uma falha catastrófica do dispositivo. Filamentos eletricamente condutores podem ocorrer, por exemplo, quando íons pesados ​​estão impingindo através de regiões de dispositivos sensíveis, como placas de campo ou capacitores MIM5. Embora os testes de solo de radiação sejam a linha de base da garantia de dureza de radiação de dispositivos eletrônicos, os altos riscos das missões espaciais tornam as demonstrações de voo uma parte crítica do desenvolvimento tecnológico, especialmente porque nenhuma instalação pode reproduzir totalmente o ambiente de radiação espacial e outras condições físicas. O experimento aqui apresentado teve como objetivo demonstrar a confiabilidade espacial de dispositivos GaN nas condições encontradas em órbita geoestacionária.