防辐射硅仍然是空间电子领域的标杆

品慧电子讯性能、可靠性和飞行传统通常是空间应用电子产品的主要关注点。根据任务寿命和轮廓，设计人员在某些情况下可能会考虑使用商用现货 (COTS) 部件。但是 COTS 电子设备与抗辐射（rad-hard）设备有很大不同。Si MOSFET等抗辐射组件经过设计、测试和验证，可在最恶劣的工作条件下运行，例如长时间暴露在太空辐射中。

从设计的角度来看，重要的是在高可靠性空间应用中权衡使用抗辐射Si MOSFET与基于替代材料（例如GaN HEMT功率器件）的COTS器件的独特考虑因素。在本文中，我们将着眼于电路设计的不同方面，以更好地了解选择其中一个的权衡。

随着当今航天工业商业化程度的提高，设计人员在平衡性能、项目成本、任务概况和风险方面面临更多挑战。即使对于传统的太空和公共部门参与者来说也是如此。数百家初创公司、大学研究人员，甚至普通群众现在都在建造和发射廉价卫星，例如流行的 CubeSat 设计。通常以低地球轨道 (LEO) 为目标，任务长度为数月而不是数年，这些新的太空任务倾向于使用耐辐射或符合汽车标准的 COTS 电子设备来节省成本或研究新技术。

汽车级和COTS电子产品的成本要低得多，满足工业应用的可靠性标准和性能基准，但在设计时并未考虑辐射稳健性。虽然一些COTS部件可能显示出固有的辐射耐受性，但它们的设计可能会或可能不会达到与抗辐射组件相同程度的辐射。

使用COTS电子设备会引入许多未知因素，例如晶圆批次之间的部分同质性和一致性以及部分可追溯性。为了提高空间应用的置信度，此类设备可能会在使用前以额外费用接受进一步测试，称为升级筛选。这也扩展到宽带隙器件的使用，例如碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 晶体管。但是，即使进行了筛选，也不能保证。即使来自同一制造商，测试结果也可能有所不同。或者 COTS 部件可能无法按需要运行并在辐射条件下存活。所有这些都给项目增加了更多风险。

抗辐射电子提供对单个晶圆批次的可追溯性，因此在进行破坏性物理分析或其他筛选时，空间设计人员可以对部件的均匀性和长期性能（包括空间辐射和可靠性）充满信心。更短、高冗余、次年的任务和探索新技术的LEO卫星肯定会从COTS组件中受益。然而，对于“重大故障风险”是不可接受的长期任务，高可靠性电子设备的基准仍然是抗辐射硅。

太空辐射挑战

辐射在太空中无处不在，会对没有采取缓解措施的电子设备产生负面影响。空间辐射可以通过两种主要方式影响功能。与管芯氧化层相互作用的辐射会导致长期累积损伤，指定为总电离剂量。第二个影响是单事件效应，可导致可恢复的单事件瞬态和灾难性故障。当施加高电压时，快速而重的粒子撞击栅极区域会导致栅极氧化物上产生高瞬态电场，从而导致其破裂。这被称为单事件门破裂。漂移区中的类似事件也可能导致源极和漏极之间的短路。最好的情况是它只是一个瞬间的非破坏性短路。在最坏的情况下，使用抗辐射电子设备可以防止此类故障机制。例如，抗辐射硅MOSFET最初是在1980年代推出的，使用设计和制造技术来降低对辐射暴露的敏感性。多年来，更稳健的设计、制造技术、筛选和认证已经发展到几乎可以确保无故障的辐射性能。

最终，是使用抗辐射还是COTS电子设备取决于几个因素——任务概况、性能参数、功能关键性、成本等等。在某些情况下，牺牲可靠性和抗辐射能力可能是可接受的风险，以帮助满足预算限制或在冗余或不太关键的系统中测试新技术。但是当优先考虑可靠性时，例如对于高度关键的功能或长期、深空或行星际任务，抗辐射硅是明确的选择。

简化升级是关键

在这个充满挑战的环境中，重复使用经过验证的技术是任务可靠性的关键。使用经过飞行验证的设计可保持已证明的可靠性和对长期成功机会的期望。电路板布局和电路优化是一项主要的设计、测试和评估投资，尤其是对于高可靠性应用。例如，在花费大量精力优化降压转换器的迹线寄生效应后，升级到更先进的下一代Si MOSFET比使用GaN等不同技术开始全新设计要简单得多。新的尺寸兼容、更高效的 Si MOSFET（如 IR HiRel 的 R9）可以直接用于性能提升，而设计论证和重新认证所需的工作要少得多。

耐辐射 Si MOSFET

IR HiRel 的抗辐射 R9 MOSFET 系列是最新一代 Si 器件，专为应对需要高可靠性、稳健性和可追溯性的航天级电子挑战而设计。简单的插入式更换可以重复使用已建立的、经过飞行验证的设计，以最少的努力提高系统效率，并降低高吞吐量卫星的每比特成本。设计人员受益于R9与各种栅极驱动器的兼容性、对寄生参数的更低敏感性、更高的电流能力以及在线性模式操作中比替代技术更好的 SOA。与上一代抗辐射MOSFET相比，这些硅器件还为空间应用设计人员提供了直接的性能和封装改进，同时保持了既定和预期的可追溯性和可靠性水平。

概括

选择正确的组件对于所有太空任务的成功至关重要，但许多因素——如任务概况、预算限制、风险等。随着行业和技术的发展，设计人员会发现COTS和抗辐射组件的用途。然而，目前，只有抗辐射硅器件展示了数十年使用中经过飞行验证的传统，加上完善的质量和可靠性标准以及丰富的技术理解。此外，借助抗辐射硅，系统设计人员可以确保此类设备符合JANS和QPL标准，并且能够满足需要这些级别可靠性的任务的TOR要求。为了在空间应用中获得最高水平的信心和可靠性。

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