Kosmische Strahlung: Killer für Leistungshalbleiter
Ein großes Glück, dass unsere Erde durch Magnetfeld und Atmosphäre den allergrößten Teil des kosmischen Bombardements mit solaren und extrasolaren Teilchen abschirmt. Wie vielleicht bekannt ist, können diese Teilchen leicht die Bits in den immer kleiner werdenden Strukturen der Mikroelektronik kippen lassen. Neuerdings aber gibt es eine zunehmende empirische Evidenz dafür, dass Power-MOSFETs und IGBTs durch Höhenstrahlung sogar getötet werden.
Als Elektroniker kann man es sich sehr gut vorstellen, dass kosmische Teilchen aller Arten z. B. bei Flashspeichern oder CPUs mit ihren winzigen Strukturen (zurzeit ja 14 nm Breite) bei einem Treffer mit geladenen Teilchen ihren Zustand ändern, sodass wo zuvor eine logische „1“ war, anschließend eine unlogische „0“ steht und umgekehrt. Das kann Probleme machen. Weniger auf der Erde, aber umso mehr im Weltraum. Nicht nur die Internationale Raumstation, sondern auch Sonden zu fernen Planeten sind von den Effekten betroffen. Und Abschirmen lässt sich die kosmische Strahlung ja kaum, bzw. nur mit unverhältnismäßigem Aufwand. Die Empfindlichkeit von Mikroelektronik hat ja schon länger die Konsequenz, dass das verwendete Gehäusematerial in besonderem Maße frei sein muss von radioaktiven Isotopen. Elektor hat über die Problematik auch schon berichtet.
Karte der Verteilung der kosmischen Strahlung des Weltalls. Bild: NASA.
Dass feine Strukturen anfällig für fremde Teilchen sind, das passt ja in das bei Elektronikern besonders gut ausgeprägte Physikverständnis. Aber dass nun auch Leistungshalbleiter Probleme machen sollen? Da ist ja immerhin Silizium im Bereich von mm³ verbaut – winzig sind die hier eingesetzten Halbleiter keinesfalls. Außerdem werden moderne IGBTs und Power-MOSFETs immer besser. Sperrspannungen bis 1,5 kV und Ströme bis zu hunderten Ampere sind machbar. Leistungshalbleiter sind gewissermaßen der natürliche Gegensatz zur Mikroelektronik und man assoziiert vor allem Robustheit mit ihnen. Und das ist wohl eine Illusion. Doch warum?
Die Endstufen von Motortreibern etc. bestehen ja in der Regel aus einer oder mehreren Halbbrücken in Gegentaktschaltung. Und gerade wenn die Transistoren in der Nähe ihrer maximalen Sperrspannung betrieben werden, was bei hohen zu schaltenden Leistungen der Normalfall sein dürfte, kann ein „Einschlagen“ eines geladenen Teilchens in die Sperrschicht den jeweiligen Transistor für eine sehr kurze Zeit zumindest teilweise leitfähig machen. Und wenn nun gerade der andere Transistor der Gegentaktstufe in den leitfähigen Modus geschaltet ist, dann ergibt das quasi einen Kurzschluss über der Versorgungsschiene und es wird punktuell im betroffenen Transistor sehr viel elektrische in thermische Energie umgesetzt, was nichts anderes heißt, als dass der Transistor seinen allerletzten Schaltvorgang gemacht hat. Dass dies keine bloß theoretische Gefahr ist, wurde mittlerweile in vielen Labors mit Testschaltungen wie in der rechten Seite des Schaltbilds nachvollzogen. Dabei zeigte sich bei Belastung mit hochenergetischer Strahlung, dass Ausfälle nicht gerade selten sind. Andere Forscher kamen zum Resultat, dass IGBTs noch etwas empfindlicher als MOSFETs reagieren.
Was folgt daraus? Auf der Erdoberfläche ist das kein wirklich drängendes Problem und auf dem Mount Everest wird kaum ein Motortreiber oder Schaltregler etc. mit sehr großer Leistung betrieben werden. Doch schon bei den Flughöhen heutiger Verkehrsflugzeuge wird das Problem akut. In 10 bis 12 km Höhe steigt die Höhenstrahlung deutlich. Wenn man nun an die ersten Planungen denkt, Verkehrsflugzeuge der Zukunft elektrisch fliegen zu lassen, wird die Sache schon brenzliger. Und wenn man erst an die geplante bemannte Mars-Mission denkt, wo die Elektronik sehr viele Monate störungsfrei laufen muss, wird es ganz ernst. Man muss dann die Leistungshalbleiter weit unter der maximalen Sperrspannung betreiben und/oder das Phänomen, seine Ursachen und potentiellen Gegenmittel gründlich erforschen.
Karte der Verteilung der kosmischen Strahlung des Weltalls. Bild: NASA.
Dass feine Strukturen anfällig für fremde Teilchen sind, das passt ja in das bei Elektronikern besonders gut ausgeprägte Physikverständnis. Aber dass nun auch Leistungshalbleiter Probleme machen sollen? Da ist ja immerhin Silizium im Bereich von mm³ verbaut – winzig sind die hier eingesetzten Halbleiter keinesfalls. Außerdem werden moderne IGBTs und Power-MOSFETs immer besser. Sperrspannungen bis 1,5 kV und Ströme bis zu hunderten Ampere sind machbar. Leistungshalbleiter sind gewissermaßen der natürliche Gegensatz zur Mikroelektronik und man assoziiert vor allem Robustheit mit ihnen. Und das ist wohl eine Illusion. Doch warum?
Die Endstufen von Motortreibern etc. bestehen ja in der Regel aus einer oder mehreren Halbbrücken in Gegentaktschaltung. Und gerade wenn die Transistoren in der Nähe ihrer maximalen Sperrspannung betrieben werden, was bei hohen zu schaltenden Leistungen der Normalfall sein dürfte, kann ein „Einschlagen“ eines geladenen Teilchens in die Sperrschicht den jeweiligen Transistor für eine sehr kurze Zeit zumindest teilweise leitfähig machen. Und wenn nun gerade der andere Transistor der Gegentaktstufe in den leitfähigen Modus geschaltet ist, dann ergibt das quasi einen Kurzschluss über der Versorgungsschiene und es wird punktuell im betroffenen Transistor sehr viel elektrische in thermische Energie umgesetzt, was nichts anderes heißt, als dass der Transistor seinen allerletzten Schaltvorgang gemacht hat. Dass dies keine bloß theoretische Gefahr ist, wurde mittlerweile in vielen Labors mit Testschaltungen wie in der rechten Seite des Schaltbilds nachvollzogen. Dabei zeigte sich bei Belastung mit hochenergetischer Strahlung, dass Ausfälle nicht gerade selten sind. Andere Forscher kamen zum Resultat, dass IGBTs noch etwas empfindlicher als MOSFETs reagieren.
Was folgt daraus? Auf der Erdoberfläche ist das kein wirklich drängendes Problem und auf dem Mount Everest wird kaum ein Motortreiber oder Schaltregler etc. mit sehr großer Leistung betrieben werden. Doch schon bei den Flughöhen heutiger Verkehrsflugzeuge wird das Problem akut. In 10 bis 12 km Höhe steigt die Höhenstrahlung deutlich. Wenn man nun an die ersten Planungen denkt, Verkehrsflugzeuge der Zukunft elektrisch fliegen zu lassen, wird die Sache schon brenzliger. Und wenn man erst an die geplante bemannte Mars-Mission denkt, wo die Elektronik sehr viele Monate störungsfrei laufen muss, wird es ganz ernst. Man muss dann die Leistungshalbleiter weit unter der maximalen Sperrspannung betreiben und/oder das Phänomen, seine Ursachen und potentiellen Gegenmittel gründlich erforschen.
