Científicos en Japón han construido un nuevo transistor capaz de soportar temperaturas de 1,110 grados Fahrenheit (600 grados Celsius). Componentes tan robustos podrían utilizarse algún día en sondas de superficie en Venus, donde la atmósfera densa de dióxido de carbono puede alcanzar 860 F (460 C).
La mayoría de la tecnología moderna, incluidas las herramientas utilizadas para la exploración del espacio profundo, emplea transistores para controlar el flujo de corriente. Pero el dispositivo nuevo es un tipo de transistor de efecto de campo de unión (JFET), en el que la intensidad de un campo eléctrico cambia la conductividad del canal.
Los JFETs se utilizan típicamente en aplicaciones especializadas porque son más difíciles de miniaturizar que los transistores de efecto de campo metal-óxido (MOSFET), que están muy extendidos en teléfonos inteligentes y computadoras de consumo. Sin embargo, los JFET pueden ofrecer niveles de ruido más bajos porque su operación no depende de una capa de óxido, la cual puede introducir interferencias.
Los investigadores explicaron cómo funciona el nuevo transistor en un estudio publicado el 17 de agosto en la revista APL Electronic Devices.
No aguantan el calor
Desde al menos el inicio del siglo, los JFET de carburo de silicio (SiC) se han considerado una opción prometedora para circuitos integrados de bajo consumo que se dirigen a Venus, debido a la capacidad intrínseca del material para soportar temperaturas elevadas.
Como señalan los científicos en el nuevo estudio: “Los aterrizadores anteriores se han limitado a solo unas pocas horas por la electrónica basada en silicio.” Venera 13, un aterrizador de la era soviética, ostenta el récord mundial de la mayor duración de vida de una nave en Venus, con 2 horas y 7 minutos.
“Los circuitos integrados (CI) fabricados con SiC son especialmente atractivos para ambientes extremos, como la exploración del espacio profundo, la perforación geotérmica y el control de motores aeroespaciales, donde los CI basados en silicio convencionales no pueden operar de forma fiable”, añadieron los investigadores.
Pero los JFET de SiC desarrollados recientemente han enfrentado dos problemas: baja capacidad de control y corrientes de fuga elevadas. El primero está ligado a cómo se dopó el sustrato de SiC con otros átomos para modificar sus propiedades eléctricas, definiendo sus regiones de compuerta (donde se genera el campo eléctrico) y canal (donde fluye la corriente).
En un material con una estructura cristalina regular, como el SiC, algunos átomos dopantes pueden penetrar más profundo de lo esperado. Esto no importa en condiciones normales, pero al exponerse a altas temperaturas, provoca variaciones en el voltaje de campo necesario para abrir el canal y dificulta el control fiable del transistor. Los científicos descubrieron que puede desplazar los umbrales de voltaje de JFET convencionales en más de 2 voltios.
Además, a temperaturas superiores a 660 F (350 C), el sustrato de SiC puede volverse menos resistivo eléctricamente, permitiendo que la corriente fluya incluso cuando el transistor está apagado. Esto dificulta que el JFET controle la corriente adecuadamente, pudiendo ocasionar señales erróneas y un mayor consumo de energía.
Incluso los JFET de mayor rendimiento solo pueden operar a largo plazo a 930 F (500 C), pero el equipo de Kioto tenía una teoría sobre por qué estos retos seguían sin resolverse.
“Creemos que la ausencia de desarrollo se debe a que la comunidad científica ha intentado aplicar un razonamiento de la era del silicio a un material fundamentalmente distinto”, afirmó el autor principal del estudio Mitsuaki Kaneko, profesor asociado de ingeniería en la Universidad de Kioto, en una declaración.
Dando la vuelta al transistor
Los investigadores diseñaron su nuevo SiC-JFET pensando en estos dos retos. Para mejorar la capacidad de control, implementaron una estructura de compuerta inferior, en la que la compuerta se ubica debajo del canal conductor de SiC.
Su región de compuerta está fuertemente dopada por diseño, de modo que cuando los átomos dopantes en el canal penetran más profundo en el SiC, no cambia el perfil de dopaje global de la región canal-compuerta, limitando su impacto en el voltaje de umbral incluso a altas temperaturas.
El equipo también utilizó dopantes para crear dos regiones semiconductoras, o “pozos”, en el SiC alrededor del JFET. Los límites entre los pozos actúan como barreras para el flujo de corriente, lo que significa que incluso cuando el SiC se vuelve más conductor a altas temperaturas, la corriente no puede evitar el canal cuando el transistor está apagado.
Los investigadores midieron qué tan bien el nuevo JFET podía encender y apagar la corriente y cuán de cerca el voltaje de umbral real coincidía con el valor teórico, en función de su espesor y nivel de dopaje. Registraron estas métricas a temperaturas que iban desde la temperatura ambiente hasta 1,110 F (600 C).
“Los dispositivos fabricados demostraron una operación estable y normal del transistor a temperaturas superiores a 873 K [1,110°F], abriendo posibilidades para dispositivos SiC de temperatura ultralta,” escribieron en el estudio. Además, a unos 750 F (400 C), se encontró que el error del voltaje de umbral era inferior a 0.1 V gracias al diseño de compuerta inferior.
Además de las sondas superficiales en Venus, el transistor podría ser útil dentro de los motores a reacción, dijeron los científicos. En la actualidad, los componentes conectados a turbinas de gas deben estar protegidos de temperaturas extremas mediante blindaje térmico, cables largos y sistemas de enfriamiento que consumen mucha energía, lo que restringe el diseño del motor.
Antes de poder lanzarlo al espacio o conectarlo a un avión, el equipo aún debe probar y optimizar el transistor para uso práctico. Esto incluye integrarlo en circuitos más complejos, escalarlo a nivel de oblea y asegurar que todo el conjunto del circuito resista temperaturas y presiones extremas.
De hecho, quizás no sea un objetivo tan inalcanzable. NASA demostró que los circuitos integrados con SiC-JFETs pueden soportar temperaturas de 860 F (460 C) y 9.3 MPa de presión durante 60 días, y 930°F (500 C) en el aire durante más de un año. Además, en 2024, un equipo del National Institute for Materials Science en Japón desarrolló un MOSFET hecho de diamante que podría funcionar por encima de 570 F (300 C).
