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 suprafaţa 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, potrivit Agerpres.
Majoritatea tehnologiilor moderne, inclusiv instrumentele utilizate pentru explorarea spaţiului cosmic, folosesc tranzistoare pentru a controla fluxul de curent. Noul dispozitiv este un 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 şi folosite pe scară largă în smartphone-uri şi calculatoare personale. Însă JFET-urile pot oferi niveluri de interferenţe mai scăzute, întrucât 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) au fost considerate o opţiune promiţătoare pentru circuitele integrate de putere redusă, gândite pentru explorarea planetei Venus, datorită capacităţii materialului de a rezista la temperaturi ridicate.
Potrivit autorilor studiului, “modelele de aselenizare anterioare au fost limitate la doar câteva ore de electronică pe bază de siliciu”. Venera 13, un modul de aselenizare din epoca sovietică, deţine recordul mondial pentru cea mai lungă perioadă de supravieţuire pe Venus a unei nave spaţiale, 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.
JFET-urile SiC dezvoltate anterior s-au confruntat cu două probleme: controlabilitate scăzută şi curenţi de scurgere mari. Prima ţine de modul în care substratul de SiC este dopat cu alţi atomi, pentru a-i modifica proprietăţile electrice. Într-un material cu structură cristalină regulată, unii atomi de dopant pot pătrunde mai adânc decât se aşteaptă — un fenomen fără efect în condiţii normale, dar care, la temperaturi ridicate, provoacă variaţii ale tensiunii necesare pentru a deschide canalul, făcând tranzistorul mai greu de controlat. Cercetătorii au descoperit că acest efect 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, ceea ce poate cauza semnale incorecte şi un consum crescut de energie. Chiar şi cele mai performante JFET-uri anterioare puteau funcţiona pe termen lung doar la 500°C.
Echipa de la Universitatea Kyoto avea o teorie despre motivul pentru care aceste provocări au rămas nerezolvate atât de mult timp. “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.
Cercetătorii au proiectat noul lor SiC-JFET ţinând cont de aceste două provocări. Pentru a îmbunătăţi controlabilitatea, au implementat o structură de poartă inferioară, unde poarta este poziţionată sub canalul conductor SiC. Regiunea porţii 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 acestei devieri 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 aceste puţuri acţionează ca bariere pentru fluxul de curent, astfel încât, 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, precum şi cât de aproape se potrivea tensiunea de prag reală cu valoarea teoretică, 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 cercetătorii în studiu. 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.
Pe lângă sondele de suprafaţă de pe Venus, tranzistorul ar putea fi util şi în interiorul motoarelor cu reacţie. 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, care restricţionează designul motorului.
Înainte ca acest tranzistor să poată fi lansat în spaţiu sau montat într-un motor de avion, echipa trebuie să îl testeze şi să îl optimizeze, inclusiv prin integrarea în circuite mai complexe, scalarea la nivel de wafer şi asigurarea faptului că întregul pachet de circuit va rezista la temperaturi şi presiuni extreme.
