В САЩ разработиха транзистори за Венера – могат да издържат на температури до 800 °C

Конвенционалните полупроводници едва издържат на температури до 150 градуса, докато цяла гама от технологични процеси изискват сензори, устойчиви на по-високи температури. Такива сензори и контролери са необходими за реактивните двигатели и радари на самолетите, движещи се със скорости многократно по-големи от скоростта на звука. Всичко това е довело до появата на други материали, сред които се откроява галиевият нитрид.

По-рано изследователи предложиха термоустойчиви транзистори на базата на силициев карбид. Експерименти показаха, че такива транзистори могат да поддържат работа до температура на нагряване от 600 °C. Новият проект, проведена от учени от Държавния университет на Пенсилвания, разчита на друг материал — галиев нитрид, който може да издържи на още по-голямо нагряване — до 800 °C, когато обикновената готварска сол се втечнява.

Това свойство открива нови области на приложение на електрониката, за които хората може би дори не знаят днес. В по-баналните, но важни области, чиповете от галиев нитрид биха могли да се използват за наблюдение на състоянието на газови турбини и енергоемки производствени процеси в химически и нефтопреработвателни заводи. И накрая, космическите приложения за високотемпературна електроника са от особено значение: например, температурата на повърхността на Венера достига 470 °C. Бордовата електроника на венерианската сонда изисква напълно различни транзистори от тези, изработени от конвенционални полупроводници.

Способността на силициевия карбид и галиевия нитрид да работят в такива екстремни условия се дължи на широката им забранена зона — енергийната забранена зона между валентните зони на материалите, която, по-специално, определя способността им да провеждат ток. Конвенционалният транзистор няма да може да превключи в затворено състояние при значително нагряване: електроните се нуждаят от сравнително малко енергия, за да преодолеят тясната забранена зона. Силициевият карбид и галиевият нитрид, напротив, се нуждаят от значително повече енергия, за да възбудят електроните в проводимата зона, така че транзисторите, изработени от тези материали, не се включват спонтанно при високи температури. Те нямат термичен пробив.

Учени от Университета на щата Пенсилвания са създали експериментален транзистор с висока мобилност на електроните (HEMT) от галиев нитрид. Структурата му включва филм от алуминиев галиев нитрид, поставен върху слой галиев нитрид. Тази конфигурация насочва електроните към границата между двата материала, където се образува двуизмерен електронен газ (2DEG) — отличителна черта на HEMT. Този газ има висока мобилност на електроните и ниско съпротивление, което, наред с други неща, позволява много по-бързото превключване между включено/изключено състояние. В това отношение галиевият нитрид е по-добър от силициевия карбид, който не е толкова добър в образуването на 2DEG облак.

Експерименталният HEMT транзистор от галиев нитрид е останал работещ в продължение на един час при 800 °C. През това време той е демонстрирал добри експлоатационни характеристики, включително ниски утечки на токовете (този въпрос е трябвало да бъде решен отделно, за да се изолират надеждно работните слоеве от облака от мобилни електрони).

Що се отнася до бъдещите планове, следващите стъпки ще бъдат насочени към мащабиране на устройството, за да се увеличи неговата производителност. Чипът в близко бъдеще може да стане готов за комерсиализация, тъй като на пазара има много малко доставчици на подобни решения, а търсенето за тях вече се е формирало. Това ще бъде катализатор за бързото навлизане на високотемпературната електроника в индустриалния сегмент.