Cercetătorii japonezi au dezvoltat un tranzistor capabil să funcționeze la temperaturi de până la 600°C, o tehnologie care ar putea fi folosită în viitoarele misiuni de explorare a lui Venus și în motoarele cu reacție.
Oamenii de ştiinţă din Japonia au construit un nou tranzistor care poate rezista la temperaturi extreme, de 600°C şi care ar putea fi folosit în echiparea viitoarelor sonde trimise să exploreze suprafaţă planetei Venus, unde atmosfera extrem de densă, supraîncărcată în dioxid de carbon, generează un efect de seră extrem de puternic, temperaturile la sol ajungând la aproximativ 460°C, transmite luni Live Science, care preia un studiu publicat pe 17 august în revista APL Electronic Devices.
Un tranzistor pentru explorarea lui Venus
Majoritatea tehnologiilor moderne, inclusiv instrumentele utilizate pentru explorarea spaţiului cosmic, utilizează tranzistoare pentru a controla fluxul de curent. Dar noul dispozitiv este un tip de tranzistor cu efect de câmp cu joncţiune (JFET), unde intensitatea unui câmp electric modifică conductivitatea canalului.
JFET-urile sunt de obicei utilizate în aplicaţii specializate, deoarece sunt mai dificil de redus la scară decât tranzistoarele cu efect de câmp metal-oxid-semiconductor (MOSFET), mai comune, care sunt utilizate pe scară largă în smartphone-uri şi calculatoare personale. Dar JFET-urile pot oferi niveluri de interferenţe mai scăzute, deoarece funcţionarea lor nu se bazează pe un strat de oxid, care poate introduce interferenţe.
Încă din anii 2000, JFET-urile din carbură de siliciu (SiC - carborundum) au fost considerate o opţiune promiţătoare pentru circuitele integrate de putere redusă menite a fi folosite în explorarea planetei Venus, datorită capacităţii inerente a materialului de a rezista la temperaturi ridicate.
„Modelele de asolizare anterioare au fost limitate la doar câteva ore de electronica pe bază de siliciu”, conform autorilor studiului. Venera 13, un modul de asolizare din epoca sovietică, deţine recordul mondial pentru cea mai lungă perioadă de supravieţuire pe Venus a unei nave spaţiale, de 2 ore şi 7 minute.
„Circuitele integrate (IC) fabricate cu SiC sunt deosebit de atractive pentru medii extreme, cum ar fi explorarea spaţiului cosmic, forajul geotermal şi controlul motoarelor aerospaţiale, unde IC-urile convenţionale pe bază de siliciu nu pot funcţiona în mod fiabil”, au adăugat cercetătorii.
Dar JFET-urile SiC dezvoltate recent s-au confruntat cu aceleaşi două probleme: controlabilitate scăzută şi curenţi de scurgere mari. Prima este legată de modul în care substratul de SiC este dopat cu alţi atomi pentru a-i modifica proprietăţile electrice, definind regiunile porţii (unde se creează câmpul electric) şi canalului (pe unde curge curentul).
Într-un material cu o structură cristalină regulată, cum ar fi SiC, unii atomi de dopant (impurităţi adăugate în mod intenţionat într-un material semiconductor pur, cum ar fi siliciul, pentru a-i schimba proprietăţile electrice) pot pătrunde mai adânc decât se aşteaptă. Acest lucru nu contează în condiţii normale, dar atunci când este expus la temperaturi ridicate, provoacă variaţii ale tensiunii de câmp necesare pentru a deschide canalul şi face ca tranzistorul să fie mai greu de controlat în mod fiabil. Oamenii de ştiinţă au descoperit că acesta poate devia pragurile de tensiune JFET convenţionale cu peste 2 volţi.
În plus, la temperaturi de peste 350°C, substratul de SiC poate deveni mai puţin rezistiv electric, permiţând curentului să circule chiar şi atunci când tranzistorul este oprit. Acest lucru face mai dificil controlul corect al curentului de către JFET, putând cauza semnale incorecte şi un consum crescut de energie.
Chiar şi cele mai performante JFET-uri pot funcţiona pe termen lung doar la 500°C, dar echipa de la Kyoto avea o teorie cu privire la motivul pentru care aceste provocări au rămas nerezolvate.
„Credem că lipsa dezvoltării se datorează faptului că oamenii de ştiinţă au încercat să aplice gândirea din era siliciului la un material fundamental diferit”, a declarat Mitsuaki Kaneko, profesor asociat de inginerie la Universitatea Kyoto, într-un comunicat.
Tranzistor proiectat pentru temperaturi extreme
Cercetătorii au proiectat noul lor SiC-JFET având în vedere aceste două provocări. Pentru a îmbunătăţi controlabilitatea, au implementat o structură de poartă inferioară, unde poarta este poziţionată sub canalul conductor SiC.
Regiunea porţii sale este concepută pentru a fi puternic dopată, astfel încât atunci când atomii dopanţi din canal pătrund mai adânc în SiC, nu modifică profilul general de dopare al regiunii canal-poartă, limitând impactul acesteia asupra tensiunii de prag chiar şi la temperaturi ridicate.
Echipa a folosit, de asemenea, dopanţi pentru a crea două regiuni semiconductoare, sau „puţuri”, în SiC din jurul JFET-ului. Limitele dintre puţuri acţionează ca bariere pentru fluxul de curent, ceea ce înseamnă că, chiar şi atunci când SiC devine mai conductiv la temperaturi ridicate, curentul nu poate ocoli canalul atunci când tranzistorul este oprit.
Cercetătorii au măsurat cât de bine putea noul JFET să activeze şi să dezactiveze curentul şi cât de aproape se potrivea tensiunea de prag reală cu valoarea teoretică, pe baza grosimii şi nivelului de dopare. Ei au înregistrat aceste valori la temperaturi cuprinse între temperatura camerei şi 600°C.
„Dispozitivele fabricate au demonstrat o funcţionare stabilă şi normală a tranzistorului la temperaturi de peste 873 K (600°C), deschizând posibilităţi pentru dispozitivele SiC la temperaturi ultra-înalte”, au scris ei în studiu. În plus, la aproximativ 400°C, s-a constatat că eroarea de tensiune de prag era mai mică de 0,1 V datorită designului cu poartă inferioară.
Dispozitivul a funcţionat până la 600°C
Pe lângă sondele de suprafaţă de pe Venus, tranzistorul ar putea fi util în interiorul motoarelor cu reacţie, au spus oamenii de ştiinţă. În prezent, componentele conectate la turbinele cu gaz trebuie protejate de temperaturi extreme folosind sisteme de ecranare termică, fire lungi şi sisteme de răcire consumatoare de energie, restricţionând designul motorului.
Înainte ca acest tranzistor să poată fi lansat în spaţiu sau montat într-un motor de avion, echipa trebuie să-l testeze şi să-l optimizeze. Aceasta include integrarea acestuia în circuite mai complexe, scalarea sa la nivel de wafer (plăcuţă semiconductoare) şi asigurarea faptului că întregul pachet de circuit va rezista la temperaturi şi presiuni extreme, potrivit Agerpres.
