Новый транзистор на основе карбида кремния разработан таким образом, чтобы избежать низкой управляемости и утечки тока, которые обычно становятся проблемой при высоких температурах.
Транзистор может нормально работать при температуре от комнатной до 1112 °F (600 °C).(Изображение предоставлено: Science Graphics)
Ученые из Японии создали новый транзистор, способный выдерживать температуру 1110 градусов по Фаренгейту (600 градусов по Цельсию). Такие надежные компоненты однажды могут быть использованы в спускаемых аппаратах на Венере, где плотная атмосфера из углекислого газа может нагреваться до 860 °F (460 °C).
В большинстве современных технологий, в том числе в приборах, используемых для исследования дальнего космоса, для управления потоком тока используются транзисторы. Но новое устройство представляет собой разновидность полевого транзистора с изолированным затвором (JFET), в котором сила электрического поля изменяет проводимость канала.
JFET обычно используются в специализированных устройствах, поскольку их сложнее масштабировать, чем более распространенные полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET), которые широко применяются в потребительских смартфонах и компьютерах. Однако JFET могут обеспечивать более низкий уровень шума, поскольку в их работе не задействован оксидный слой, который может создавать помехи.
Исследователи описали принцип работы нового транзистора в статье, опубликованной 17 августа в журнале APL Electronic Devices.
Не выдерживают высоких температур
По крайней мере с начала века полевые транзисторы на карбиде кремния (SiC) считаются перспективным вариантом для маломощных интегральных схем, предназначенных для использования на Венере, благодаря присущей этому материалу способности выдерживать высокие температуры.
Как отметили ученые в новом исследовании: «Из-за электроники на основе кремния продолжительность работы предыдущих спускаемых аппаратов составляла всего несколько часов». «Венера-13», спускаемый аппарат советской эпохи, установил мировой рекорд по продолжительности работы космического аппарата на Венере — 2 часа 7 минут.
«Интегральные схемы (ИС), изготовленные из карбида кремния, особенно привлекательны для использования в экстремальных условиях, таких как исследование дальнего космоса, геотермальное бурение и управление аэрокосмическими двигателями, где обычные ИС на основе кремния не могут работать стабильно», — добавили исследователи.
Однако недавно разработанные SiC-JFET столкнулись с двумя одинаковыми проблемами: низкой управляемостью и большими токами утечки. Первая проблема связана с тем, как подложка из карбида кремния легируется другими атомами для изменения ее электрических свойств, определяющих области затвора (где создается электрическое поле) и канала (где проходит ток).
Команда использовала легирующие примеси для создания двух полупроводниковых «ячеек» в карбиде кремния вокруг транзистора, чтобы избежать больших токов утечки.(Изображение предоставлено Science Graphics)
В материале с регулярной кристаллической структурой, таком как карбид кремния, некоторые легирующие атомы могут проникать глубже, чем ожидалось. В обычных условиях это не имеет значения, но при воздействии высоких температур это приводит к колебаниям напряжения, необходимого для открытия канала, и затрудняет надежное управление транзистором. Ученые обнаружили, что это может привести к отклонению порогового напряжения обычного полевого транзистора с управляющим p-n-переходом более чем на 2 вольта.
Кроме того, при температуре выше 660 °F (350 °C) подложка из карбида кремния может стать менее электрорезистивной, что приведет к прохождению тока даже при выключенном транзисторе. Из-за этого JFET-транзистору сложнее контролировать ток, что может привести к искажению сигналов и повышенному энергопотреблению.
Даже самые высокопроизводительные JFET могут работать в течение длительного времени только при температуре 930 F (500 C), но у команды из Киото была своя теория, объясняющая, почему эти проблемы до сих пор не решены.
«Мы считаем, что отсутствие прогресса связано с тем, что научное сообщество пытается применить подход эпохи кремния к принципиально иному материалу», — заявил первый автор исследования Мицуаки Канеко, доцент кафедры инженерии Киотского университета, в заявлении.
Перевернув транзистор с ног на голову
Исследователи разработали новый SiC-JFET с учетом этих двух проблем. Чтобы повысить управляемость, они использовали структуру с нижним затвором, при которой затвор расположен под проводящим каналом из карбида кремния.
Область затвора по своей конструкции сильно легирована, поэтому, когда атомы легирующей примеси в канале проникают глубже в карбид кремния, это не меняет общий профиль легирования области канала и затвора, что ограничивает влияние на пороговое напряжение даже при высоких температурах.
Команда также использовала легирующие примеси для создания двух полупроводниковых областей, или «ямок», в карбиде кремния вокруг полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. Границы между «ямами» действуют как барьеры для прохождения тока, то есть даже когда карбид кремния становится более проводящим при высоких температурах, ток не может обойти канал, когда транзистор выключен.
Мощный транзистор можно было бы использовать в спускаемых аппаратах на Венере, где температура в плотной атмосфере из углекислого газа может достигать 860 °F (460 °C).(Изображение предоставлено Science Graphics)
Исследователи измерили, насколько хорошо новый полевой транзистор с управляющим p-n-переходом может включать и выключать ток и насколько фактическое пороговое напряжение соответствует теоретическому значению, рассчитанному с учетом толщины транзистора и уровня легирования. Они зафиксировали эти показатели при температурах от комнатной до 1110 °F (600 °C).
«Изготовленные устройства продемонстрировали стабильную работу транзисторов в штатном режиме при температурах выше 873 К [1110 °F], что открывает возможности для создания сверхвысокотемпературных устройств на основе карбида кремния», — написали они в исследовании. Кроме того, при температуре около 750 °F (400 °C) погрешность порогового напряжения составила менее 0,1 В благодаря конструкции с нижним затвором.
По словам ученых, транзистор может быть полезен не только для зондирования поверхности Венеры, но и в реактивных двигателях. В настоящее время компоненты, подключенные к газовым турбинам, должны быть защищены от экстремальных температур с помощью теплозащитных экранов, длинных проводов и энергоемких систем охлаждения, что ограничивает конструкцию двигателя.
Прежде чем его можно будет запустить в космос или подключить к самолету, команде предстоит протестировать и оптимизировать транзистор для практического применения. Это включает в себя интеграцию транзистора в более сложные схемы, масштабирование до уровня пластины и обеспечение того, чтобы вся схема выдерживала экстремальные температуры и давление.
На самом деле это не такая уж недостижимая цель. NASA продемонстрировало, что интегральные схемы с карбидокремниевыми полевыми транзисторами могут выдерживать температуру 860 °F (460 °C) и давление 9,3 МПа в течение 60 дней, а температуру 930 °F (500 °C) в течение года. Кроме того, в 2024 году группа ученых из Национального института материаловедения в Японии разработала полевой МОП-транзистор из алмаза, который может работать при температуре выше 570 F (300 C). Сообщает livescience
.png "Получай новости на почту. Подписаться")