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文档标题: 《How to Prevent Another Europa Clipper Transistor Panic: 4 Technologies That Can Radiation-Harden Future Spacecraft Electronics》
作者: Kohava Mendelsohn
期刊: IEEE Spectrum Magazine
发布日期: 2024年10月15日
文档背景:
本文探讨了如何通过四种技术来增强未来航天器电子设备的抗辐射能力，以避免类似欧罗巴快艇（Europa Clipper）任务中晶体管在极端辐射环境下失效的问题。欧罗巴快艇是NASA迄今为止为行星任务建造的最大航天器，但在发射前几个月，研究人员发现其晶体管在木星的极端辐射环境下可能会失效。经过数月的测试和调整，NASA最终通过添加“金丝雀盒”（canary box）来监测辐射影响，确保任务成功。然而，这一事件凸显了航天器电子设备抗辐射设计的紧迫性。
主要技术:
碳化硅（Silicon Carbide）半导体:
碳化硅因其超宽带隙（ultra wide band gap）而具有更强的抗辐射能力。与硅的1.1电子伏特（eV）带隙相比，碳化硅的带隙为3.3至3.4 eV，这意味着需要更多的能量才能干扰碳化硅中的电子，从而减少辐射对其的影响。NASA正在测试碳化硅芯片，并计划将其用于未来的月球和金星任务。此外，氮化镓（Gallium Nitride）也是一种具有宽带隙的材料，适用于低温环境，如火星或月球背面。
绝缘体上硅（Silicon on Insulator, SOI）和鳍式场效应晶体管（FinFET）设计:
SOI和FinFET设计通过限制辐射诱导电荷的路径来增强CMOS晶体管的抗辐射能力。SOI在源极和漏极下方添加了一层绝缘体，而FinFET则将源极、漏极和通道提升为三维“鳍”结构，从而增加辐射抗性。尽管这些技术已存在数十年，但随着CMOS设备尺寸的缩小和辐射脆弱性的增加，它们重新受到关注。
光子学系统（Photonic Systems）:
光子学系统利用光而非电子进行信息传输，具有高带宽和低能耗的特点。光子集成电路（integrated photonics）在数据中心中已用于高带宽信息传输，未来也将在航天器中用于数据传输。由于光子不带电，高能辐射不会干扰其传输，因此光子学系统天然具有抗辐射性。
非易失性存储器（Nonvolatile Memory）:
非易失性存储器（如磁阻随机存取存储器MRAM和电阻式随机存取存储器ReRAM）能够在断电后保持数据状态，从而减少能耗。MRAM利用磁性状态存储数据，而ReRAM则利用忆阻特性（memristance）。这两种技术通过其设计本身具有抗辐射性，辐射不会影响其磁场或电阻。
文档价值:
本文总结了四种未来航天器电子设备抗辐射的关键技术，为未来深空探测任务提供了重要的技术参考。随着航天任务的复杂性和辐射环境的严酷性增加，这些技术将帮助航天器在极端条件下稳定运行，并推动人类探索更远的太空区域。
亮点:
- 碳化硅和氮化镓的宽带隙特性为抗辐射设计提供了新的材料选择。
- SOI和FinFET设计通过结构优化增强了CMOS设备的抗辐射能力。
- 光子学系统的高带宽和低能耗特性为航天器数据传输提供了新的解决方案。
- 非易失性存储器的低功耗和抗辐射特性为航天器数据处理和存储带来了革新。
未来展望:
随着航天技术的不断进步，抗辐射设计将成为深空探测任务的核心挑战之一。本文提出的技术不仅为当前任务提供了解决方案，也为未来的探索任务奠定了基础。例如，光子学系统和非易失性存储器的应用将显著提升航天器的数据处理能力和能源效率，而碳化硅和SOI/FinFET设计则将为极端环境下的电子设备提供更高的可靠性。
以上是本文档的主要内容和观点总结。