用于太空任务的GaN晶体管

GaN 功率晶体管是支持极端太空任务的功率和射频应用的理想选择。EPC Space通过其新的 eGaN 解决方案保证辐射硬度性能和 SEE（单事件效应）抗扰度，其器件专为商业卫星空间的关键应用而设计，具有极高的电子迁移率和低温系数以及极低的 R DS (on) 值。

“EPC Space 是 VPT 和 EPC 的合资企业。VPT 是航空电子、军事、太空和工业应用电源转换领域的领导者，而 EPC 是基于 GaN 的电源转换技术的领导者。EPC Space 是 Freebird Semiconductor 的继任者，Freebird Semiconductor 成立于 2015 年，”EPC Space 首席执行官 Bel Lazar 说。

现代电信卫星的结构旨在优化将它们放置在适当轨道上的过程并更好地发挥其功能。卫星由中央部分组成，大部分电子设备、推进系统和相关的坦克都位于该部分。环绕地球轨道上的各种卫星和最远地区的探索卫星上的电子设备通过伽马射线、中子和重离子获得某种形式的能量。

空间辐射流主要由 85% 的质子和 15% 的重核组成。辐射的影响会导致设备性能下降、中断和不连续。

这种轰击会对半导体造成一系列损坏，例如破坏晶体。特别是，它可能会在非导电区引起陷阱，或产生电子-空穴对云，从而通过造成短路使器件的操作不平衡。在 eGaN 器件中，来自太空的高能粒子无法产生瞬时短路，因为无法产生电子空穴对。

空间辐射

带电粒子和伽马射线会产生电离，从而改变设备的参数。这些变化是根据总电离剂量参数 (TID) 估算的。吸收的电离剂量通常以 Rads 为单位测量，即每克材料 100 ergs 的吸收能量。卫星任务的持续时间可以持续数年，因此可以积累很大的 TID 值。一些深空任务需要 10 兆拉德，而硅无法支持它们。抗辐射要求决定了从头开始设计电子元件以承受辐射的影响。

图 1：典型硅 MOSFET 的横截面 [来源：EPC Space]

图 1 是典型硅 MOSFET 的横截面。它是一个垂直器件，顶面有源极和栅极，底面有漏极。栅极通过一层二氧化硅与沟道隔开。在基于硅的 MOSFET 中，辐射通过触发栅极中的正电荷来降低电压阈值，直到晶体管从常关或增强模式变为常开或耗尽模式状态，从而破坏该氧化物基极上的电子。为了实现等效操作，您需要一个负电压来关闭 MOSFET。

由于高能辐射在空间环境中发生的单事件效应 (SEE) 是不可预测的，并且可能在航天器任务期间的任何时间发生。SEE 由几种现象组成；瞬态效应（或软错误），如单事件瞬态 (SET)、单事件翻转 (SEU)，灾难性效应，如单事件烧毁 (SEB)、单事件门破裂 (SEGR) 和单事件闩锁 (SEL) . 每个 SEE 背后的机制包括在粒子通过后设备的敏感区域中的电荷积累。

单事件栅极破裂是由高能原子引起的高瞬态电场穿过栅极氧化物导致栅极氧化物破裂，如图 2 所示。器件的漂移区，那里有相对高的电场。

图 2：MOSFET 中的单事件栅极破裂 (SEGR) 由高能原子在栅极氧化物上产生高瞬态电场引起，从而破坏栅极氧化物 [来源：EPC Space]

高能粒子通过产生大量电子对和空穴来失去能量。后者会导致设备发生瞬间短路，从而损坏设备。在某些情况下，它甚至可能对其他组件造成损坏，在这种情况下，请参考单事件翻转或 SEU。

“发生的事情是，比方说，错过了门，它穿过设备的另一部分，这个粒子的能量不仅会损坏晶体，还会导致巨大的电子和空穴云，它们导通，在此过程中，设备会发生瞬间短路。这就是所谓的单一事件扰乱，”EPC 首席执行官 Alex Lidow 说。

氮化镓晶体管

与硅 MOSFET 相比，增强模式下的 GaN (eGaN®) 器件的构造方式不同。所有三个端子都位于顶面。如同在硅 MOSFET 中一样，源极和栅极之间的传导是通过将栅极电极从零伏极化到正值 (5V) 来调制的。栅极与下方的沟道通过一层氮化铝和镓隔开。当受到伽马辐射时，该层不会累积电荷（图 3）。

图 3：典型增强型 GaN (eGaN®) 器件的横截面 [来源：EPC Space]

“GaN 本质上是难以承受总剂量的辐射，这是在设备的整个生命周期内辐射的积累。但是，为了能够承受单一事件，您必须以不同于商业设备的方式设计它们，”EPC Space 首席执行官 Bel Lazar 说。

“在 GaN 器件中，我们没有氧化物。所以我们没有单一事件，门破裂。EPC 首席执行官 Alex Lidow 表示，GaN 中没有可以良好传导的孔洞，因此您不会遇到单一事件。

为了展示 eGaN 器件的性能，EPC Space 的 100 V 系列 eGaN 晶体管经受了 500 kRad 的伽马辐射。在测试期间，测量了从漏极到源极和栅极到源极的漏电流，以及器件在各个检查点的阈值电压和导通电阻，确认器件性能没有显着变化。

“对于单事件效应，我们开发了一个非常有趣的激光测试，我们实际上可以使用紧密聚焦的激光模拟高能粒子。我们可以移除设备的背面并通过氮化镓发射激光，看看哪些区域是脆弱的。了解设备最薄弱的部分使我们能够改进我们的设计，”EPC 首席执行官 Alex Lidow 说。

图 4 显示了 eGaN 器件在重离子轰击下的主要故障机制。条件大约是极化装置上的 85 LET 金原子束所能达到的最大值。

图 4：重离子轰击下 eGaN 器件的 SEE 主要故障机制 [来源：EPC Space]

纵轴为器件的漏电流，横轴为器件每平方厘米吸收的重离子数。虚线表示栅源漏电流，实线表示三个eGaN FBG10N30 100V漏源漏电流。与漏源漏电流不同，漏源电流 Ig 在轰击过程中不会改变，漏源漏电流随着轰击的增加而增加。这种漏源漏电流的增加是 eGaN 器件在重离子轰击下的主要故障模式，这也是我们通过激光测试大大改进的机制。

此外，GaN 优于中子辐射，因为与硅相比，它具有更高的位移阈值能量（图 5）。

图 5：位移能与各种晶体的晶格常数倒数的比较 [来源：EPC Space]

GaN 可用于制造半导体器件，例如二极管和晶体管。电源设计人员可以选择 GaN 晶体管而不是硅，因为它具有小尺寸和高效率。与具有更高热管理要求的硅器件相比，GaN 晶体管还消耗更少的功率并提供更高的热导率。新功率器件还具有固有的抗辐射性（rad-hard），并提供高达 600C 的理论结温工作。

“在太空任务中，所涉及的电压实际上低于大多数交流线路电压，因此最好使用 200 伏，有时 300 伏的设备。在该范围内，GaN 的性能仅比碳化硅高得多，因此它是更好的选择。此外，未来，氮化镓作为横向器件更容易集成。所以，我们已经在太空中飞行集成电路，随着时间的推移，随着集成电路密度的提高，它会变得越来越好。另一件事是碳化硅，如果它是晶体管，它往往是一个MOS晶体管。并且该氧化物不是天然氧化物。因此，与硅 MOSFET 相比，它在总入射剂量方面存在更大的问题，”EPC 首席执行官 Alex Lidow 表示。

卫星中的电力负载可能会有很大差异，这取决于要执行的子系统和功能。对卫星电源系统的保护对于防止所提供的设备出现故障可能会降低其性能甚至使其停止服务至关重要。

可以使用 GaN 的关键领域是射频和功率转换。

eGaN FET 具有辐射耐受性、快速开关速度和更高的效率，通过提高频率以允许使用更小的电感器并提供良好的效率，从而使电源变得更小、更轻。eGaN FET 也比等效的 MOSFET 小。

图 6：使用 EPC Space GaN 器件的 VPT SGRB10028S 转换器的照片和典型的测量效率 [来源：EPC Space]

GaN 功率晶体管是空间功率转换应用的理想选择。当暴露于各种形式的辐射时，eGaN 器件比硬辐射 MOSFET 更坚固。GaN 的电气和热性能也展示了在空间环境中的卓越操作。

审核编辑：郭婷