摘要：2024年10月14日，美国国家航空航天管理局发射了欧罗巴快船探测器。但就在几个月前，美国国家航空航天局发现一组晶体管可能会在木星极端辐射级别的环境中发生故障，该探测器差一点就报废了。最终，欧罗巴快船团队增加了一个“金丝雀报警盒”，监测执行任务过程中辐射的影响
航天机构希望避免欧罗巴快船探测器的晶体管恐慌事件。
2024年10月14日，美国国家航空航天管理局发射了欧罗巴快船探测器。但就在几个月前，美国国家航空航天局发现一组晶体管可能会在木星极端辐射级别的环境中发生故障，该探测器差一点就报废了。最终，欧罗巴快船团队增加了一个“金丝雀报警盒”，监测执行任务过程中辐射的影响。
阿肯色大学电子工程教授艾伦•曼图斯（Alan Mantooth）说，如果美国国家航空航天局早一点发现这些晶体管的问题，或者在电路中设计内置监控系统，就不会发生这种混乱。曼图斯说，金丝雀报警盒是“ 一种聪明的补救方法，但它也仅仅是一种补救措施”。
20世纪60年代以来，人们一直在设计能够在放射性环境中工作的抗辐射电子设备。不过，未来的太空探索任务可能会采用新技术，包括替代性的半导体材料、专用晶体管、集成光子学和抗辐射存储器。如果幸运的话，这些技术进步将有助于避免欧罗巴快船探测器晶体管引发的那种“最后一刻”恐慌。
01碳化硅半导体
中佛罗里达大学的工程学教授张恩霞（Enxia Zhang，音）说，目前航天器上大多数动力装置中的半导体都采用了硅，但下一代装置将使用碳化硅。碳化硅的抗辐射能力较强，因为它的带隙较宽（带隙是电子从被原子核束缚到参与传导所需的能量）。硅的带隙为1.1电子伏特，而碳化硅的带隙为3.3到3.4电子伏特。这意味着扰乱一个碳化硅电子需要更多的能量，因此一定剂量的辐射不太可能造成扰乱。
英飞凌公司从事航空航天和国防项目的工程师埃里克•法拉奇（Eric Faraci）说，现在，人们正在计划测试碳化硅设备。张恩霞说，美国国家航空航天局正在测试用于太空任务的碳化硅设备，预计该机构将在未来的月球任务和金星任务中使用碳化硅。
氮化镓是另一种半导体，其带隙较宽，为3.2电子伏特。氮化镓在LED中最常见，也用于笔记本电脑充电器。曼图斯说，氮化镓最适合寒冷的地方，比如火星表面或月球的背面。但是，“如果要探测水星，或者要探测靠近太阳的地方……碳化硅才是更好的选择。”
02抗辐射互补金属氧化物半导体
研究人员也在探索设计抗辐射硅晶体管的不同方法。互补金属氧化物半导体（CMOS）生产工艺通常有两种：其一是绝缘体上硅晶体管（SOI晶体管），其二是鳍式场效应晶体管（FinFET）。这两种方法都是为了防止一种名为单粒子效应的辐射损伤。单粒子效应是指，一个高能粒子击中电子设备， 将电子震动到不应该出现的地方。
在普通的互补金属氧化物半导体中，电流通过沟道从源极流向漏极，位于硅顶层的栅极会阻挡或允许电流流动。但是，单粒子效应可以激发硅深处的电荷，绕过栅极的控制。抗辐射方法可阻碍这些受激电子的运动。
绝缘体上硅晶体管在源极和漏极下面增加了一层绝缘体，如二氧化硅，这样电荷就无法轻易绕过栅极。鳍式场效应晶体管则将漏极、源极和它们之间的通道提升为一个或多个3D鳍。那么，受激电荷必须向下流动，绕过去，然后再向上流动，才能绕过栅极。
制造绝缘体上硅晶体管和鳍式场效应晶体管的技术已经有几十年的历史了。亚利桑那州立大学的电气工程教授休•巴纳比（Hugh Barnaby）表示，21世纪前后，太空电子设备仍然在使用互补金属氧化物半导体器件，这些器件体积庞大，可以降低辐射风险。但互补金属氧化物半导体器件的尺寸越来越小，因此更容易受到辐射的影响，于是人们又对这些抗辐射互补金属氧化物半导体器件产生了兴趣。
03光子系统
光子系统使用光而不是电子来传递信息。乔治亚理工学院的电子学教授约翰•克雷斯勒（John Cressler）表示，目前，硅基光子集成电路多用于数据中心的高带宽传输，也可以用于在航天器内传输大量数据。
克雷斯勒说，太空中的系统“要收集或移动大量数据，通过光子来实现要容易得多”。
那么，光子最大的优势是什么？光子集成电路天然具有抗辐射能力，因为其数据传输使用的是光子而不是电子。光子不带电荷，高能辐射不能像干扰电子那样干扰光子。
克雷斯勒预计集成光子将在未来两年内用于航天器。
04非易失性存储器
计算机通常使用的是易失性存储器，这意味着一旦断电，它们就无法存储其状态。而非易失性存储器能够在断电时记住其状态。
在太空非易失性存储器应用中，磁阻式随机存取存储器（MRAM）和电阻式随机存取存储器（ReRAM）比较领先。磁阻式随机存取存储器使用磁性状态存储数据，而电阻式随机存取存储器则将数据存储为电阻。这两种技术都具有先天的抗辐射能力。
电阻式随机存取存储器还有一个好处，那就是探测器通常不具备处理自身数据的能力，而是会将数据发送回地球。基于电阻式随机存取存储器的电路耗电较少，因此太空探测器可以进行更多的机上计算，节省通信带宽和时间。
虽然人们仍在研究太空级别的阻式随机存取存储器和电阻式随机存取存储器，但中佛罗里达大学的张恩霞预测，未来10到15年内，我们将在航天器上看到非易失性存储器。2023年，美国太空部队与西部数据公司签订了一份3500万美元的合同，目的是开发抗辐射非易失性存储器。
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来源：卫星与网络
