Le conseguenze dello spazio sull’ elettronica

Il 24 gennaio 1994 fu lanciata la sonda “Clementine”, come parte del programma spaziale Deep Space Program Science Experiment (DSPSE), che aveva come obiettivo realizzare osservazioni scientifiche della Luna e di alcuni asteroidi, in particolare  del 1620 Geographos. Quasi quattro mesi dopo, il 7 maggio 1994, il computer centrale inviò un comando non intenzionale che fece bruciare tutto il combustibile a un controllore di altitudine. Questo fatto impossibilitò il proseguimento della missione ed è stato quasi certamente provocato da un Single Event Upset (SEU), uno degli effetti più comuni delle radiazioni cosmiche sull’ elettronica.

Un ambiente non solamente ostile alla vita

Il vento solare, i raggi cosmici e le fasce di van Allen mettono a dura prova i circuiti elettronici. Queste radiazioni sono composte principalmente da elettroni, protoni, neutrini, positroni, fotoni e altre particelle con potere ionizzante, capaci di rompere i legami covalenti tra gli atomi.

A creare più problemi sono le particelle ad alta energia (maggiore o uguale a 10^9 eV/cm^3) che, anche se rare, possono incidere sui dispositivi in qualsiasi momento e compromettere il funzionamento di un intero satellite, sonda o qualsiasi altro veicolo spaziale.

Gli effetti delle radiazioni si classificano in due grandi gruppi:

-Effetti Cumulativi

-Single Event Effects (SEE)

I primi sono i danni che irrimediabilmente si accumulano con il passare degli anni, fino a rendere inutilizzabile l’ elettronica all’interno dei dispositivi spaziali. Questi danni sono prevedibili in laboratorio e ci permettono di stabilire una vita media utile per ogni velivolo. Li possiamo differenziare in Total Ionizing Dose (TID) e Displacement Damage (DD).

I secondi, invece, sono imprevedibili e possono apparire in qualsiasi momento dalla messa nello spazio delle apparecchiature elettroniche. Gli SEE a loro volta, si raggruppano in due categorie: gli effetti transitori (o soft error) come il Single Event Transient (SET) e il Single Event Upset (SEU); gli effetti catastrofici come il Single Event Burnout (SEB), il Single Event Gate Rupture (SEGR) e il Single Event Latch-up (SEL).

Effetti cumulativi:

I danni dovuti alla ionizzazione si verificano nei transistor, sia in quelli a effetto campo (come il MOSFET) che in quelli a giunzione bipolare (BJT). Nel caso dei MOSFET, la ionizzazione è causata da una particella molto carica che incide sul diossido di silicio (strato isolante); essa induce la rottura delle coppie elettrone-lacuna indirizzando queste ultime verso l’interfaccia ossido-silicio dove crea degli stati “trappola” che fanno diminuire la quantità di portatori effettivi e dunque la tensione di soglia del transistor. Nel BJT, invece, queste particelle fanno aumentare la corrente di base e di conseguenza la diminuzione del guadagno complessivo.

I Damage Displacement sono associati alla struttura del reticolo cristallino dei materiali. Quando un neutrone interagisce con un atomo del reticolo, esso li impartisce un’energia tale da dislocarlo, ed esso percorre un certo tratto creando a sua volta altre dislocazioni che disturbano la periodicità del cristallo e producono livelli energetici nella banda proibita. Tali livelli energetici alterano le proprietà elettriche dei materiali e quindi dei dispositivi.

Single Event Effects

Gli Effetti da Singolo Evento sono fenomeni causati da particelle altamente ionizzanti (come gli ioni pesanti). Questi eventi provocano malfunzionamenti immediati di uno o più transistor che possono influenzare l’intero circuito.

Il meccanismo che sta alla base di ogni SEE consiste nell’accumulo di carica in una zona sensibile di un dispositivo a seguito del passaggio della particella. In un dispositivo a semiconduttore, libera lungo il percorso, per interazione coulombiana, una colonna di coppie di elettrone-lacuna dal diametro variabile da qualche centinaio di nanometri a qualche micron.

A seconda di diversi fattori, la particella può causare effetti non osservabili (SET), perturbazioni transitorie delle operazioni del circuito del microprocessore, cambiamenti di stati logici (SEU, SEL), o danni permanenti al dispositivo o circuito integrato (SEGR, SEBO).

Le principali contromisure

Una volta verificato uno di questi effetti si può utilizzare la tecnica di “Annealing”, che consiste nell’applicare alte temperature (oppure nell’iniezione di elettroni) ai transistor, per dare l’energia sufficiente ai portatori di cariche che permetterà loro di riattivarsi e ristabilire la conduzione o la struttura del reticolo cristallino dei materiali.

Per la prevenzione si evita di collocare i satelliti nelle zone delle fasce di van Allen; essi si spengono durante i periodi di maggiore flusso di vento solare; si realizzano delle schermature contro le radiazioni (anche se delle volte possono risultare pesanti); ma soprattutto, quando possibile, si cerca di usare componenti “Hard-rad” che, anche se costose, sono realizzate e testate in laboratorio, molto più resistenti delle normali COTS (componenti commerciali).