Rayonnement cosmique : les circuits de puissance morflent aussi

14 avril 2017, 07:00
Rayonnement cosmique : les circuits de puissance morflent aussi
Rayonnement cosmique : les circuits de puissance morflent aussi
L'électronicien n'a pas de mal à imaginer l'impact potentiellement redoutable des particules du rayonnement cosmique sur le fonctionnement de la microélectronique, surtout à mesure que sa miniaturisation progresse inexorablement (actuellement 14 nm). La menace d'altération de niveaux logiques et de pertes de contrôle de systèmes électroniques existe sur terre, mais aussi à bord de la station ISS et des sondes spatiales. Or il n'est possible de blinder efficacement les circuits qu'au prix d'un effort disproportionné. On sait que le boîtier des circuits microélectroniques doit être exempt d'isotopes radioactifs, Elektor avait évoqué ce problème récemment. Nous comprenons que la susceptibilité des structures de petite taille soit plus grande, mais quid des circuits de puissance ?

 
Universal background radiation. Source: NASA
Voici des jonctions dont les dimensions réelles sont de l'ordre du mm³. Pour des semi-conducteurs, ce tout sauf petit. Les IGBT modernes et les MOSFET de puissance sont capables de commuter des courants dont l'intensité est de plus en plus forte. Sur ces composants, des seuils de 1,5 kV n'ont plus rien d'exceptionnel et l'intensité des courants y atteint des centaines d'ampères. Comparé à ceux de la microélectronique, les semi-conducteurs de puissance font figure de joueurs de rugby. On est tenté de penser que ce n'est pas un rayonnement cosmique qui va les ébranler.
 
Dans un étage de puissance pour moteur, on trouve des configurations push-pull comme celle de cet exemple. À tout moment, seule une moitié du pont est passante. Si une particule venue de nulle part frappe la jonction d'un transistor à un moment où il opère au voisinage de sa tension de seuil, il pourrait devenir conducteur pendant un court instant. Si par hasard à ce moment-là son alter ego dans la configuration push-pull est lui aussi conducteur, nous aurons un court-circuit. Et probablement un feu d'artifice. Ces transistors-là ne conduiront plus jamais ! Ce n'est pas de la fiction, mais une réalité maintes fois testée en laboratoire avec le circuit ci-dessus à droite. En présence d'un rayonnement de forte intensité, des défauts comme celui que je viens de décrire ne sont pas rares. Certains chercheurs ont même constaté que les IGBT sont même plus sensibles encore que les MOSFET.

Que faire ? Sur le plancher des vaches, le problème reste mineur. Au sommet de l'Everest, c'est déjà plus critique, mais, compte tenu de la faible densité au km² des IGBT et des MOSFET dans l'Himalaya, on n'a guère de souci à se faire. Dans les aéronefs, à des altitudes de vols commerciaux de l'ordre de 33.000 pieds, l'intensité du rayonnement cosmique est déjà plus forte, surtout quand on sait que par ailleurs on nous dit que les turbines seront bientôt remplacées par des moteurs électriques. Quant aux missions habitées vers Mars, elles devront fonctionner des mois durant dans un milieu électrique très hostile. À défaut de savoir comment mettre fin au rayonnement cosmique, il va donc falloir apprendre à mieux se protéger de lui.
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