Tranzistor koji radi na 600 stepeni: japanski uređaj za sonde na Veneri

Svjetski rekord boravka jedne letjelice na Veneri star je više od četiri decenije i iznosi svega dva sata i sedam minuta — toliko je izdržao sovjetski lander Venera 13. Krivac nije mehanika, nego elektronika: čipovi na bazi silicijuma jednostavno se predaju na vrelini te planete. Autori nove studije podsjećaju da su upravo zbog toga dosadašnji landeri radili tek nekoliko sati.

Tim s Univerziteta u Kjotu tvrdi da je napravio komponentu koja bi taj limit mogla pomjeriti. Riječ je o tranzistoru koji normalno radi na 600 stepeni Celzijusa, odnosno 1.110 stepeni Fahrenheita. Rad je objavljen 17. avgusta u časopisu APL Electronic Devices.

Zašto baš JFET

Novi uređaj pripada porodici spojnih tranzistora s efektom polja, poznatijih po skraćenici JFET. Kod njih jačina električnog polja mijenja provodljivost kanala kroz koji teče struja — a kontrola protoka struje je posao koji tranzistori obavljaju u praktično svakom savremenom uređaju, od telefona do instrumenata za istraživanje dubokog svemira.

U masovnoj proizvodnji JFET je ipak rjeđi gost. Teže ga je minijaturizovati nego MOSFET tranzistore, kakvi se ugrađuju u telefone i računare, pa se koristi uglavnom u specijalizovanim primjenama. Zauzvrat nudi nižu razinu šuma, jer njegov rad ne počiva na oksidnom sloju koji zna unijeti smetnje.

Dva problema koja su kočila razvoj

Silicijum-karbid (SiC) se još od početka ovog vijeka spominje kao materijal koji bi mogao izdržati Veneru, pa se JFET-ovi od tog materijala smatraju obećavajućim rješenjem za integrisana kola male snage. Prema navodima istraživača, kola izrađena od silicijum-karbida zanimljiva su i izvan svemirskih misija — svuda gdje klasična silicijumska elektronika otkaže, od geotermalnog bušenja do upravljanja avio-motorima.

Dosadašnje verzije SiC-JFET-ova, međutim, uvijek su se spoticale o iste dvije prepreke: slabu kontrolu i velike struje curenja.

Prva se tiče dopantnih atoma koji se ugrađuju u podlogu od silicijum-karbida i određuju gdje će biti gejt, u kojem nastaje električno polje, a gdje kanal kroz koji struja teče. U kristalnoj rešetki takvog materijala dio tih atoma završi dublje nego što je predviđeno. Na sobnoj temperaturi to nikoga ne smeta, ali kada se komponenta zagrije, napon potreban za otvaranje kanala počne odstupati i tranzistor se više ne ponaša predvidivo. Kod konvencionalnih JFET-ova, utvrdili su naučnici, pragovni napon zbog toga može odlutati za više od dva volta.

Druga prepreka javlja se iznad 350 stepeni Celzijusa (660 Fahrenheita). Tada podloga od silicijum-karbida gubi dio električne otpornosti i propušta struju i onda kada je tranzistor isključen, što vodi ka pogrešnim signalima i većoj potrošnji energije. Zbog svega toga ni najbolji postojeći JFET-ovi ne izdržavaju dugoročan rad iznad 500 stepeni Celzijusa (930 Fahrenheita).

Prvi autor studije Mitsuaki Kaneko, vanredni profesor inženjerstva na Univerzitetu u Kjotu, u saopštenju je razlog zastoja potražio u navikama struke: po njegovoj ocjeni, izostanak napretka posljedica je toga što istraživačka zajednica na suštinski drugačiji materijal pokušava primijeniti razmišljanje naslijeđeno iz silicijumske ere.

Gejt ispod kanala

Odgovor tima iz Kjota bio je da uobičajenu konstrukciju jednostavno okrene naopako. Gejt su smjestili ispod provodnog kanala od silicijum-karbida i namjerno ga jako dopirali. U takvoj postavci dublje prodiranje atoma iz kanala ne mijenja ukupni profil dopiranja u zoni kanala i gejta, pa i na visokim temperaturama pragovni napon ostaje pod kontrolom.

Protiv curenja struje poslužio je drugi zahvat: dopantima su u silicijum-karbidu oko tranzistora napravljene dvije poluprovodničke oblasti, takozvane jame. Granice između njih ponašaju se kao barijere, tako da struja nema kuda zaobići kanal dok je tranzistor isključen — čak ni kada zagrijani silicijum-karbid postane provodljiviji.

Provjera je obuhvatila mjerenje koliko pouzdano novi JFET uključuje i isključuje struju, kao i koliko se izmjereni pragovni napon poklapa s vrijednošću izračunatom na osnovu debljine i nivoa dopiranja. Testovi su vođeni u rasponu od sobne temperature do 600 stepeni Celzijusa.