Высокий уровень радиации - наихудший кошмар для полупроводниковых элементов, кристаллы которых могут "поджариться" до полной неработоспособности в течение нескольких минут или часов, если не предпринять специальных мер по защите от излучения. Инженеры из университета Юты разработалиexternal link, opens in a new tab новый вид электронных схем, которые основаны на использовании микроэлектромеханических устройств. Роботы и компьютеры, в "мозгах" у которых будут работать подобные схемы, будут работать без сбоев в самых жестких условиях, в космосе во время сильных вспышек излучения, на аварийных ядерных станциях и даже в зонах ядерных ударов.
Электронные полупроводниковые устройства работают за счет полупроводникового канала, по которому течет электрический ток. Но когда ионизирующее излучение попадает на кристалл полупроводника, оно возбуждает в полупроводниковых каналах блуждающие токи, которые складываются или подавляют полезные сигналы, что приводит к порче кристалла в худшем случае и к искажению данных в лучшем случае. В качестве полупроводниковых материалов можно использовать материалы, стойкие к ионизирующему излучению, такие как свинец или оксид меди, но транзисторы из таких материалов обладают весьма низким быстродействием и в любом случае смогут нормально работать только ограниченное время.
Микоэлектромеханические системы (micro-electromechanical systems, MEMS), разработанные в университете Юты, не подвержены действию радиации вообще, потому что в них нет никаких полупроводниковых каналов. Вместо этого элементы таких систем используют два вольфрамовых электрода, разделенные очень узким промежутком. Когда разность потенциалов между этими электродами достигает порогового значения, электроды притягиваются и замыкаются, позволяя течь току через получившееся соединение.
Образцы радиационно-устойчивых электромеханических переключателей
Конечно, кремниевая электроника более быстра, более компактна и работает более четко, нежели одно MEMS-устройство. Но, каждое из таких устройств действует как целый логический узел, реализующий достаточно сложную логическую функцию, что делает скорость и надежность MEMS-схем сопоставимой с аналогичными показателями кремниевых схем.
Узкие промежутки между вольфрамовыми электродами имеют напряжение четкого срабатываний всего в 1.5 В, что примерно в десять раз ниже, чем порог срабатывания других MEMS-элементов. Единственный недостаток MEMS-элементов - их большие размеры, типовой элемент имеет размеры 25 на 25 микрон и половину микрона в толщину.
Следует отметить, что ученые уже провели первые испытания электронных схем на MEMS-элементах. Даже после весьма длительного нахождения подле активной зоны реактора ядерной станции, где присутствует высокий уровень радиации, MEMS-схемы работали совершенно нормально, не демонстрируя ни малейших признаков деградации. Следующим этапом развития этой технологии будет разработка простейшего MEMS-процессора и периферии программируемого компьютера, который сможет уже выполнять несложные арифметические и логические задачи в очень сложных условиях.
Радиационно-устойчивая микросхема
Это исследование было профинансировано Агентством США по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам (DARPA) – организации, подчиненной Пентагону, целью которой является содействие в финансировании фундаментальных научных разработок.
