Tranzistorul japonez care rezistă la 600°C ar putea ajunge pe viitoarele sonde de pe Venus

O echipă de cercetători din Japonia a dezvoltat un nou tip de tranzistor capabil să funcționeze la temperaturi de până la 600 de grade Celsius, o performanță care ar putea deschide calea pentru utilizarea electronicii rezistente la condiții extreme în viitoarele misiuni spațiale, inclusiv pe suprafața planetei Venus.

Dispozitivul a fost conceput de cercetători de la Universitatea Kyoto și este un tranzistor cu efect de câmp cu joncțiune (JFET), realizat din carbură de siliciu (SiC). Materialul este considerat promițător pentru aplicații în medii cu temperaturi foarte ridicate, unde electronica convențională pe bază de siliciu nu poate funcționa în mod fiabil.

Venus reprezintă una dintre cele mai dificile destinații pentru explorarea robotică. Atmosfera sa extrem de densă, dominată de dioxid de carbon, produce un efect de seră extrem, iar temperatura de la suprafața planetei ajunge la aproximativ 460 de grade Celsius. În asemenea condiții, componentele electronice convenționale cedează rapid.

Problema a fost demonstrată de misiunile sovietice de tip Venera. Modulul Venera 13 a rămas activ pe suprafața planetei timp de 2 ore și 7 minute, recordul pentru o navă spațială care a operat la suprafața lui Venus.

Cercetătorii japonezi susțin că dezvoltarea unor circuite integrate pe bază de SiC ar putea schimba semnificativ această situație. Astfel de componente ar putea permite viitoarelor sonde să funcționeze mult mai mult timp fără sisteme complexe de răcire.

JFET-urile din carbură de siliciu dezvoltate anterior aveau însă două probleme majore: controlabilitatea redusă și curenții de scurgere ridicați. La temperaturi mari, proprietățile electrice ale materialului se modifică, ceea ce poate determina variații ale tensiunii necesare pentru pornirea tranzistorului. În cazul unor dispozitive anterioare, aceste variații puteau depăși 2 volți.

O altă dificultate apărea la temperaturi de peste 350 de grade Celsius, când substratul de SiC devenea mai conductiv. În aceste condiții, curentul putea continua să circule chiar și atunci când tranzistorul trebuia să fie oprit, ceea ce ducea la consum suplimentar de energie și la apariția unor semnale incorecte.

Pentru a depăși aceste limite, echipa de la Universitatea Kyoto a adoptat o arhitectură diferită. Cercetătorii au utilizat o structură cu poartă inferioară, amplasată sub canalul conductor din SiC, și au modificat modul în care este dopat materialul. Soluția reduce variațiile tensiunii de prag provocate de temperaturile extreme.

În plus, în jurul tranzistorului au fost create două regiuni semiconductoare care funcționează ca bariere pentru curent. Acestea împiedică scurgerea curentului prin substrat atunci când dispozitivul este oprit, chiar și în condițiile în care SiC devine mai conductiv la temperaturi foarte ridicate.

Testele au fost realizate de la temperatura camerei până la 600 de grade Celsius. Rezultatele au arătat că dispozitivul a continuat să funcționeze stabil chiar și la peste 873 K, echivalentul a 600°C. În jurul temperaturii de 400°C, eroarea tensiunii de prag a fost mai mică de 0,1 volți.

„Dispozitivele fabricate au demonstrat o funcționare stabilă și normală a tranzistorului la temperaturi de peste 873 K (600°C), deschizând posibilități pentru dispozitivele SiC la temperaturi ultra-înalte”, au precizat autorii studiului.

Aplicațiile nu se limitează însă la explorarea lui Venus. Tehnologia ar putea fi utilizată și în industria aerospațială, inclusiv în interiorul motoarelor cu reacție și al turbinelor cu gaz. În prezent, componentele electronice amplasate în apropierea zonelor foarte fierbinți trebuie protejate prin ecrane termice, sisteme de răcire și cabluri lungi, soluții care cresc complexitatea și limitează proiectarea motoarelor.

Totuși, tranzistorul nu este încă pregătit pentru a fi trimis în spațiu. Cercetătorii trebuie să îl testeze în continuare, să îl integreze în circuite mai complexe, să demonstreze posibilitatea fabricării la scară de wafer și să verifice dacă întregul ansamblu electronic poate rezista simultan temperaturilor și presiunilor extreme.

Dacă aceste etape vor fi depășite, noua tehnologie ar putea permite dezvoltarea unor sonde capabile să reziste mult mai mult timp pe suprafața lui Venus, oferind oamenilor de știință acces la date despre una dintre cele mai ostile lumi din Sistemul Solar.