GaN 功率晶體管是支持極端太空任務的功率和射頻應用的理想選擇。EPC Space通過其新的 eGaN 解決方案保證輻射硬度性能和 SEE（單事件效應）抗擾度，其器件專為商業衛星空間的關鍵應用而設計，具有極高的電子遷移率和低溫系數以及極低的 R DS (on) 值。

“EPC Space 是 VPT 和 EPC 的合資企業。VPT 是航空電子、軍事、太空和工業應用電源轉換領域的領導者，而 EPC 是基于 GaN 的電源轉換技術的領導者。EPC Space 是 Freebird Semiconductor 的繼任者，Freebird Semiconductor 成立于 2015 年，”EPC Space 首席執行官 Bel Lazar 說。

現代電信衛星的結構旨在優化將它們放置在適當軌道上的過程并更好地發揮其功能。衛星由中央部分組成，大部分電子設備、推進系統和相關的坦克都位于該部分。環繞地球軌道上的各種衛星和最遠地區的探索衛星上的電子設備通過伽馬射線、中子和重離子獲得某種形式的能量。

空間輻射流主要由 85% 的質子和 15% 的重核組成。輻射的影響會導致設備性能下降、中斷和不連續。

這種轟擊會對半導體造成一系列損壞，例如破壞晶體。特別是，它可能會在非導電區引起陷阱，或產生電子-空穴對云，從而通過造成短路使器件的操作不平衡。在 eGaN 器件中，來自太空的高能粒子無法產生瞬時短路，因為無法產生電子空穴對。

空間輻射

帶電粒子和伽馬射線會產生電離，從而改變設備的參數。這些變化是根據總電離劑量參數 (TID) 估算的。吸收的電離劑量通常以 Rads 為單位測量，即每克材料 100 ergs 的吸收能量。衛星任務的持續時間可以持續數年，因此可以積累很大的 TID 值。一些深空任務需要 10 兆拉德，而硅無法支持它們。抗輻射要求決定了從頭開始設計電子元件以承受輻射的影響。

圖 1：典型硅 MOSFET 的橫截面 [來源：EPC Space]

圖 1 是典型硅 MOSFET 的橫截面。它是一個垂直器件，頂面有源極和柵極，底面有漏極。柵極通過一層二氧化硅與溝道隔開。在基于硅的 MOSFET 中，輻射通過觸發柵極中的正電荷來降低電壓閾值，直到晶體管從常關或增強模式變為常開或耗盡模式狀態，從而破壞該氧化物基極上的電子。為了實現等效操作，您需要一個負電壓來關閉 MOSFET。

由于高能輻射在空間環境中發生的單事件效應 (SEE) 是不可預測的，并且可能在航天器任務期間的任何時間發生。SEE 由幾種現象組成；瞬態效應（或軟錯誤），如單事件瞬態 (SET)、單事件翻轉 (SEU)，災難性效應，如單事件燒毀 (SEB)、單事件門破裂 (SEGR) 和單事件閂鎖 (SEL) . 每個 SEE 背后的機制包括在粒子通過后設備的敏感區域中的電荷積累。

單事件柵極破裂是由高能原子引起的高瞬態電場穿過柵極氧化物導致柵極氧化物破裂，如圖 2 所示。器件的漂移區，那里有相對高的電場。

圖 2：MOSFET 中的單事件柵極破裂 (SEGR) 由高能原子在柵極氧化物上產生高瞬態電場引起，從而破壞柵極氧化物 [來源：EPC Space]

高能粒子通過產生大量電子對和空穴來失去能量。后者會導致設備發生瞬間短路，從而損壞設備。在某些情況下，它甚至可能對其他組件造成損壞，在這種情況下，請參考單事件翻轉或 SEU。

“發生的事情是，比方說，錯過了門，它穿過設備的另一部分，這個粒子的能量不僅會損壞晶體，還會導致巨大的電子和空穴云，它們導通，在此過程中，設備會發生瞬間短路。這就是所謂的單一事件擾亂，”EPC 首席執行官 Alex Lidow 說。

氮化鎵晶體管

與硅 MOSFET 相比，增強模式下的 GaN (eGaN?) 器件的構造方式不同。所有三個端子都位于頂面。如同在硅 MOSFET 中一樣，源極和柵極之間的傳導是通過將柵極電極從零伏極化到正值 (5V) 來調制的。柵極與下方的溝道通過一層氮化鋁和鎵隔開。當受到伽馬輻射時，該層不會累積電荷（圖 3）。

圖 3：典型增強型 GaN (eGaN?) 器件的橫截面 [來源：EPC Space]

“GaN 本質上是難以承受總劑量的輻射，這是在設備的整個生命周期內輻射的積累。但是，為了能夠承受單一事件，您必須以不同于商業設備的方式設計它們，”EPC Space 首席執行官 Bel Lazar 說。

“在 GaN 器件中，我們沒有氧化物。所以我們沒有單一事件，門破裂。EPC 首席執行官 Alex Lidow 表示，GaN 中沒有可以良好傳導的孔洞，因此您不會遇到單一事件。

為了展示 eGaN 器件的性能，EPC Space 的 100 V 系列 eGaN 晶體管經受了 500 kRad 的伽馬輻射。在測試期間，測量了從漏極到源極和柵極到源極的漏電流，以及器件在各個檢查點的閾值電壓和導通電阻，確認器件性能沒有顯著變化。

“對于單事件效應，我們開發了一個非常有趣的激光測試，我們實際上可以使用緊密聚焦的激光模擬高能粒子。我們可以移除設備的背面并通過氮化鎵發射激光，看看哪些區域是脆弱的。了解設備最薄弱的部分使我們能夠改進我們的設計，”EPC 首席執行官 Alex Lidow 說。

圖 4 顯示了 eGaN 器件在重離子轟擊下的主要故障機制。條件大約是極化裝置上的 85 LET 金原子束所能達到的最大值。

圖 4：重離子轟擊下 eGaN 器件的 SEE 主要故障機制 [來源：EPC Space]

縱軸為器件的漏電流，橫軸為器件每平方厘米吸收的重離子數。虛線表示柵源漏電流，實線表示三個eGaN FBG10N30 100V漏源漏電流。與漏源漏電流不同，漏源電流 Ig 在轟擊過程中不會改變，漏源漏電流隨著轟擊的增加而增加。這種漏源漏電流的增加是 eGaN 器件在重離子轟擊下的主要故障模式，這也是我們通過激光測試大大改進的機制。

此外，GaN 優于中子輻射，因為與硅相比，它具有更高的位移閾值能量（圖 5）。

圖 5：位移能與各種晶體的晶格常數倒數的比較 [來源：EPC Space]

GaN 可用于制造半導體器件，例如二極管和晶體管。電源設計人員可以選擇 GaN 晶體管而不是硅，因為它具有小尺寸和高效率。與具有更高熱管理要求的硅器件相比，GaN 晶體管還消耗更少的功率并提供更高的熱導率。新功率器件還具有固有的抗輻射性（rad-hard），并提供高達 600C 的理論結溫工作。

“在太空任務中，所涉及的電壓實際上低于大多數交流線路電壓，因此最好使用 200 伏，有時 300 伏的設備。在該范圍內，GaN 的性能僅比碳化硅高得多，因此它是更好的選擇。此外，未來，氮化鎵作為橫向器件更容易集成。所以，我們已經在太空中飛行集成電路，隨著時間的推移，隨著集成電路密度的提高，它會變得越來越好。另一件事是碳化硅，如果它是晶體管，它往往是一個MOS晶體管。并且該氧化物不是天然氧化物。因此，與硅 MOSFET 相比，它在總入射劑量方面存在更大的問題，”EPC 首席執行官 Alex Lidow 表示。

衛星中的電力負載可能會有很大差異，這取決于要執行的子系統和功能。對衛星電源系統的保護對于防止所提供的設備出現故障可能會降低其性能甚至使其停止服務至關重要。

可以使用 GaN 的關鍵領域是射頻和功率轉換。

eGaN FET 具有輻射耐受性、快速開關速度和更高的效率，通過提高頻率以允許使用更小的電感器并提供良好的效率，從而使電源變得更小、更輕。eGaN FET 也比等效的 MOSFET 小。

圖 6：使用 EPC Space GaN 器件的 VPT SGRB10028S 轉換器的照片和典型的測量效率 [來源：EPC Space]

GaN 功率晶體管是空間功率轉換應用的理想選擇。當暴露于各種形式的輻射時，eGaN 器件比硬輻射 MOSFET 更堅固。GaN 的電氣和熱性能也展示了在空間環境中的卓越操作。

審核編輯：郭婷