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

Elektronika koja izdrži uslove na površini Venere godinama je jedno od najvećih ograničenja u istraživanju te planete. Naučnici iz Japana sada su predstavili tranzistor koji podnosi temperaturu od 1.110 stepeni Fahrenheita, odnosno 600 stepeni Celzijusa — znatno više od 460 stepeni koliko dostiže gusta atmosfera Venere, sastavljena od ugljen-dioksida.

Rad je objavljen 17. avgusta u časopisu APL Electronic Devices, a potpisuje ga tim s Univerziteta u Kjotu.

Zašto baš JFET

Tranzistori kontrolišu protok struje i ugrađeni su praktično u svaki savremeni uređaj, uključujući instrumente za istraživanje dubokog svemira. Novi uređaj spada u kategoriju spojnih tranzistora s efektom polja (JFET), kod kojih jačina električnog polja mijenja provodljivost kanala.

Ta vrsta tranzistora koristi se uglavnom u specijalizovanim primjenama jer se teže smanjuje od raširenijih MOSFET tranzistora, kakvi se ugrađuju u telefone i računare. Prednost im je, međutim, niži nivo šuma, budući da njihov rad ne zavisi od oksidnog sloja koji može unijeti smetnje.

Dva problema koja su kočila razvoj

Spojni tranzistori od silicijum-karbida (SiC) se još od početka ovog vijeka smatraju obećavajućim rješenjem za integrisana kola male snage namijenjena Veneri, upravo zbog otpornosti tog materijala na visoke temperature. Autori studije podsjećaju da su dosadašnji landeri, zbog elektronike na bazi silicijuma, izdržavali svega nekoliko sati. Svjetski rekord po dužini preživljavanja na Veneri i dalje drži sovjetski lander Venera 13 — dva sata i sedam minuta.

Prema navodima istraživača, integrisana kola izrađena od silicijum-karbida posebno su zanimljiva za ekstremne uslove poput istraživanja dubokog svemira, geotermalnog bušenja i upravljanja avio-motorima, gdje konvencionalna silicijumska kola ne mogu pouzdano raditi.

Ipak, dosad razvijeni SiC-JFET-ovi nailazili su na dva ista problema: slabu kontrolu i velike struje curenja. Prvi je vezan za način na koji se u podlogu od silicijum-karbida ugrađuju dopantni atomi koji određuju područje gejta, gdje se stvara električno polje, i kanala, kroz koji teče struja. U materijalu s pravilnom kristalnom strukturom neki od tih atoma prodru dublje nego što se očekuje. U normalnim uslovima to nije važno, ali na visokim temperaturama dolazi do odstupanja u naponu potrebnom za otvaranje kanala, pa tranzistorom postaje teže pouzdano upravljati. Naučnici su utvrdili da to kod konvencionalnih JFET-ova može pomjeriti naponski prag za više od dva volta.

Drugi problem javlja se iznad 350 stepeni Celzijusa (660 Fahrenheita), kada SiC podloga postaje slabije električno otporna i propušta struju čak i kada je tranzistor isključen. Posljedica su mogući pogrešni signali i veća potrošnja energije. Ni najbolji postojeći JFET-ovi ne mogu dugoročno raditi iznad 500 stepeni Celzijusa (930 Fahrenheita).

Prvi autor studije Mitsuaki Kaneko, vanredni profesor inženjerstva na Univerzitetu u Kjotu, u saopštenju je ocijenio da izostanak napretka pripisuju tome što istraživačka zajednica pokušava primijeniti razmišljanje iz silicijumske ere na materijal koji je suštinski drugačiji.

Gejt ispod kanala

Rješenje koje je tim iz Kjota primijenio svodi se na okretanje uobičajene konstrukcije. Radi bolje kontrole, gejt su postavili ispod provodnog kanala od silicijum-karbida. Područje gejta je namjerno jako dopirano, pa kada atomi iz kanala prodru dublje u materijal, to ne mijenja ukupni profil dopiranja u zoni kanala i gejta — uticaj na pragovni napon ostaje ograničen i na visokim temperaturama.

Uz to su dopantima formirali dvije poluprovodničke oblasti, takozvane jame, u silicijum-karbidu oko tranzistora. Granice između tih oblasti djeluju kao barijere za protok struje, pa struja ne može zaobići kanal kada je tranzistor isključen, čak ni kada silicijum-karbid na visokoj temperaturi postane provodljiviji.

Istraživači su mjerili koliko dobro novi JFET uključuje i isključuje struju, kao i koliko se stvarni pragovni napon poklapa s teorijskom vrijednošću izračunatom na osnovu debljine i nivoa dopiranja. Mjerenja su rađena u rasponu od sobne temperature do 600 stepeni Celzijusa.