Anzeige
Researchers at the Georgia Institute of Technology are developing ways to harden the microchips themselves against damage from various types of cosmic radiation. With funding from NASA and other sponsors, a Georgia Tech team is investigating the use of silicon-germanium (SiGe) to create microelectronic devices that are intrinsically resistant to space-particle bombardment.
Key to the investigation is determining exactly what happens inside a device at the instant a particle hits, says principal investigator John D. Cressler, who is a Ken Byers Professor in the Georgia Tech School of Electrical and Computer Engineering.
“Cosmic radiation can go right through the spacecraft, and right through electronics on the way, generating charge inside the device that can cause electronic systems to produce errors or even die,” Cressler said. “There's a lot of interest in improved hardening capabilities from NASA, the Department of Defense and communications companies, because anything that flies into space has to withstand the effects of this radiation.”
Silicon-germanium holds major promise for this application, he adds. SiGe alloys combine silicon, the most common microchip material, with germanium, at nanoscale dimensions. The result is a material that offers important gains in toughness, speed and flexibility.
Any space vehicle, from NASA spacecraft and military vehicles to communications and global positioning system (GPS) satellites, must contend with two principal types of cosmic radiation.
- Ionizing radiation includes ubiquitous particles such as electrons and protons that are relatively high in energy but not deeply penetrating. A moderate amount of metal shielding can reduce their destructive effect, but such protection increases a space vehicle’s launch weight.
- Galactic cosmic rays include heavy ions and other extremely high-energy particles. It is virtually impossible to protect against these dangers.
Faced with damaging radiation, engineers have for decades augmented shielding with a circuit-design technique called “triple modular redundancy.” This approach utilizes three copies of each circuit, all tied into logic circuitry at one end. If one copy of the circuit is corrupted by cosmic radiation and begins producing bad data, the logic circuit opts for the matching data produced by the other two circuits.
“The problem with this approach is that it requires three times the overhead in power, real-estate and cost,” Cressler said.
Other traditional circuit-protecting techniques have included the hardening-by-process method. In this approach, integrated circuits are produced using special processes that harden the chips against radiation damage. The problem is this processing generally increases chip costs by 10 to 50 times.
As a result, the space community is eager to find ways to produce space-hardened microelectronic devices using only everyday commercial chip-making technologies, Cressler says. The savings in cost, size and weight could be very significant.
Silicon-germanium is a top candidate for this application because it has intrinsic immunity to many types of radiation. The catch is that, like other materials, SiGe cannot stand up to the extremely destructive heavy ions present in galactic cosmic rays.
At least, not yet.
Cressler’s team is analyzing exactly what happens inside a SiGe device when it’s subjected to the type of energy found in heavy ions. Using sophisticated new equipment, including an extremely high-speed oscilloscope, researchers can capture details of particle-strike events that last only trillionths of a second (picoseconds).
Working with NASA and the U.S. Naval Research Laboratory, Cressler is using an ultrafast laser to inject current into a silicon-germanium transistor. The aim is to emulate the effect of a heavy-ion strike in space.
“When I shine a laser on the device, it generates a pulse of current that may only last for a few picoseconds,” Cressler said. “Capturing the dynamics of that process – what it looks like in time and in its magnitudes – is important and challenging.”
Cressler’s investigation also involves firing actual ions at SiGe circuits. Using a focused ion microbeam at the Sandia National Laboratories, the Georgia Tech team can aim a single heavy ion at a given point on a device and capture those results as well.
The ultimate aim is to alter silicon-germanium devices and circuits in ways that will make them highly resistant to nearly all cosmic radiation, including heavy ions, without adding overhead.
Observing actual particle impacts in real time is key, Cressler says. Detailed computer 3-D models of particle strikes on SiGe devices and circuits – created with sophisticated numerical simulation techniques – have already been developed. But until researchers can compare these models to actual observed data, they can’t be sure the models are correct.
“If we get good fidelity between the two,” he added, “then we've know we have a good understanding of the physics.”
Step two, he adds, will involve using that information to design devices and circuits that are highly immune to radiation.
“One of the holy grails in this field is getting sufficient radiation hardness without resorting to any of the high overhead schemes such as shielding, process hardening, or triple modular redundancy,” he said. “And, in fact, we are closing in on that goal, using SiGe electronics.”
Technical Contact: John Cressler (404-894-5161); E-mail: (john.cressler@ece.gatech.edu).
John Toon | Quelle: Newswise Science News
Weitere Informationen: www.gatech.edu
Weitere Berichte zu: cosmic radiation > cosmic ray > Cressler > electronic devices > Electronic Systems > galactic cosmic rays > high-energy particles > microchip material > NASA > SiGe > Silicon-Germanium > spacecraft > weight
„All4Green“ – Rechnen, wenn der Wind bläst
24.05.2012 | Universität Mannheim
Komplexität beherrschen
23.05.2012 | Siemens AG
Krankheiten wie Parkinson, Alzheimer und bestimmte Krebsformen gehen auf eine fehlerhafte Faltung und Aggregation von Eiweißen im Körper zurück.
Wissenschaftlern des Instituts für Photonische Technologien (IPHT) in Jena ist es erstmals gelungen, Proteinstrukturen auf sub-molekularer Ebene nachzuweisen und spektroskopisch zu analysieren. Ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Krankheitsursachen.
„Bis heute hat man nicht genau verstanden, was die fehlerhafte Faltung und Aggregation von Eiweißen, zum Beispiel im Zusammenhang mit Alzheimer, ...
Die Quantenphysik beschreibt physikalische Vorgänge in Festkörpern und anderen Vielteilchensystemen auch mit Hilfe von Quasiteilchen.
Innsbrucker Physikern um Rudolf Grimm ist es nun erstmals gelungen, ein neues Quasiteilchen - ein repulsives Polaron - in einem Quantengas experimentell zu erzeugen. Die Forscher berichten darüber in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift Nature.
Ultrakalte Quantengase sind ein ideales Experimentierfeld, um physikalische Phänomene in Festkörpern zu simulieren. Unter streng kontrollierten Bedingungen ...
Licht lässt die Partikel in der Atmosphäre wachsen. In einem Experiment hat ein internationales Forscherteam erstmals einen neuen Mechanismus nachweisen können, bei dem Partikel durch Licht größer werden und der damit Einfluss auf die Wolkenbildung und das Klima hat.
Photokatalytische Reaktionen können zu einer schnellen Bindung von nicht kondensierenden flüchtigen organischen Kohlenwasserstoffen (VOCs) auf der Oberfläche der Partikel führen. Unter solchen Bedingungen nehme die Größe und Masse der Partikel schnell zu, schreiben die Wissenschaftler im renommierten Fachblatt PNAS.
Die Ergebnisse des Laborexperimentes könnten Effekte erklären, die bisher schon bei Feldkampagnen ...
Ähnlich wie blutsaugende Insekten prüfen Pflanzenschädlinge ihren Wirt auf Abwehrsignale, bevor sie anfangen zu fressen
Pflanzen bilden wenige Minuten nach Angriff eines Fraßfeindes Jasmonsäure, ein Hormon, das die Verteidigung gegen Insekten in Gange setzt mit der Folge, dass giftige Stoffe wie Nikotin oder Verdauungshemmer in den Blättern akkumulieren.
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie, Jena, haben jetzt herausgefunden, dass Zwergzikaden die Verteidigungsbereitschaft von Tabakpflanzen aufspüren können. ...
Wissenschaftlern vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Bonn ist es erstmals gelungen, den Transport eines wichtigen Informationsträgers in biologischen Zellen praktisch unmodifiziert in Echtzeit zu filmen.
Die Studie zeigt, wie die so genannte Boten-RNA die Zellkernhülle überwindet und vom Zellkern in das Zytoplasma gelangt. Diese Arbeit ist nun in dem renommierten Journal „Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA“ (PNAS) publiziert.
Der Bauplan aller Lebewesen ist in ihrem Erbgut gespeichert. Dieses lagert bei höheren ...
Anzeige
Anzeige

Energieversorger vor dem Umbruch
24.05.2012 | Studien Analysen
Stem-cell-growing surface enables bone repair
24.05.2012 | Biowissenschaften Chemie
Im wahrsten Sinne „Spitzenforschung“: IPHT-Forscher untersuchen Eiweißfasern mit größter Genauigkeit
24.05.2012 | Biowissenschaften Chemie
NieKE Themenforum: Ökonomie - Tierschutz - Lebensmittelsicherheit
24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten
Nachhaltigkeit in der Schifffahrt: Werte vs. Wertschöpfung
24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten
Wissenschaft und Öffentlichkeit
24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten