Le transistor « extrême » peut résister à une chaleur de plus de 1 000 F – ce qui le prépare à une utilisation dans les sondes liées à Vénus

Des scientifiques japonais ont construit un nouveau transistor qui peut résister à des températures de 1 110 degrés Fahrenheit (600 degrés Celsius). Des composants aussi robustes pourraient un jour être utilisés dans des sondes de surface sur Vénus – où le atmosphère épaisse de dioxyde de carbone peut atteindre des températures de 860 F (460 C).

La plupart des technologies modernes, y compris les instruments utilisés pour l’exploration de l’espace lointain, utilisent des transistors pour contrôler le flux de courant. Mais le nouveau dispositif est un type de transistor à effet de champ à jonction (JFET), dans lequel l’intensité d’un champ électrique modifie la conductivité du canal.

Les JFET sont généralement utilisés dans des applications spécialisées car ils sont plus difficiles à réduire que les transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET) plus courants, largement utilisés dans les smartphones et les ordinateurs grand public. Mais les JFET peuvent offrir des niveaux de bruit inférieurs car leur fonctionnement ne repose pas sur une couche d’oxyde, qui peut introduire des interférences.

Les chercheurs ont expliqué le fonctionnement du nouveau transistor dans une étude publiée le 17 août dans la revue Appareils électroniques APL.

Je ne supporte pas la chaleur

Depuis au moins le début du siècleles JFET en carbure de silicium (SiC) ont été considérés comme une option prometteuse pour les circuits intégrés de faible consommation destinés à Vénus en raison de la capacité inhérente du matériau à résister à des températures élevées.

Comme les scientifiques l’ont souligné dans la nouvelle étude : « Les anciens atterrisseurs ont été limités à quelques heures seulement grâce à l’électronique à base de silicium. » Venera 13, un atterrisseur de l’ère soviétique, détient le record du monde du temps passé le plus longtemps sur Vénus par un vaisseau spatial, soit 2 heures et 7 minutes.

« Les circuits intégrés (CI) fabriqués avec du SiC sont particulièrement intéressants pour les environnements extrêmes, tels que l’exploration de l’espace lointain, le forage géothermique et le contrôle des moteurs aérospatiaux, où les circuits intégrés classiques à base de silicium ne peuvent pas fonctionner de manière fiable », ont ajouté les chercheurs.

Mais les SiC-JFET récemment développés ont tous rencontré les deux mêmes problèmes : une faible contrôlabilité et des courants de fuite importants. Le premier est lié à la façon dont le substrat SiC est dopé avec d’autres atomes pour modifier ses propriétés électriques, définissant ses régions de grille (où le champ électrique est créé) et de canal (où le courant circule).

Dans un matériau à structure cristalline régulière, comme le SiC, certains atomes dopants peuvent pénétrer plus profondément que prévu. Cela n’a pas d’importance dans des conditions normales, mais lorsqu’il est exposé à des températures élevées, cela provoque des variations de la tension de champ nécessaire pour ouvrir le canal et rend le transistor plus difficile à contrôler de manière fiable. Les scientifiques ont découvert qu’il peut éloigner les seuils de tension JFET conventionnels de plus de 2 volts.

De plus, à des températures supérieures à 660 F (350 C), le substrat SiC peut devenir moins résistif électriquement, permettant au courant de circuler même lorsque le transistor est éteint. Cela rend plus difficile pour le JFET de contrôler correctement le courant, ce qui peut entraîner des signaux incorrects et une consommation d’énergie accrue.

Même les JFET les plus performants ne peuvent fonctionner à long terme qu’à 930 F (500 C), mais l’équipe de Kyoto avait une théorie expliquant pourquoi ces défis restaient non résolus.

« Nous pensons que le manque de développement est dû au fait que la communauté des chercheurs a essayé d’appliquer la réflexion de l’ère du silicium à un matériau fondamentalement différent », a déclaré le premier auteur de l’étude. Mitsuaki Kanekoprofesseur agrégé d’ingénierie à l’Université de Kyoto, dans un déclaration.

Renverser le transistor

Les chercheurs ont conçu leur nouveau SiC-JFET en gardant ces deux défis à l’esprit. Pour améliorer la contrôlabilité, ils ont mis en œuvre une structure de grille inférieure, où la grille est positionnée sous le canal conducteur SiC.

Sa région de grille est fortement dopée de par sa conception, de sorte que lorsque les atomes dopants du canal pénètrent plus profondément dans le SiC, cela ne modifie pas le profil de dopage global de la région de canal-grille, limitant ainsi son impact sur la tension de seuil, même à des températures élevées.

L’équipe a également utilisé des dopants pour créer deux régions semi-conductrices, ou « puits », dans le SiC autour du JFET. Les limites entre les puits agissent comme des barrières au flux de courant, ce qui signifie que même lorsque le SiC devient plus conducteur à haute température, le courant ne peut pas contourner le canal lorsque le transistor est désactivé.

Les chercheurs ont mesuré dans quelle mesure le nouveau JFET pouvait activer et désactiver le courant et dans quelle mesure la tension de seuil réelle correspondait à la valeur théorique, en fonction de son épaisseur et de son niveau de dopage. Ils ont enregistré ces mesures à des températures allant de la température ambiante à 1 110 F (600 C).

« Les dispositifs fabriqués ont démontré un fonctionnement stable et normal des transistors à des températures supérieures à 873 K (1 110°F), ouvrant des possibilités pour les dispositifs SiC à ultra haute température », ont-ils écrit dans l’étude. De plus, à environ 750 F (400 C), l’erreur de tension de seuil s’est avérée inférieure à 0,1 V grâce à la conception de la grille inférieure.

Outre les sondes de surface sur Vénus, le transistor pourrait être utile à l’intérieur des moteurs à réaction, ont indiqué les scientifiques. Actuellement, les composants connectés aux turbines à gaz doivent être protégés des températures extrêmes à l’aide d’un blindage thermique, de longs câbles et de systèmes de refroidissement énergivores, ce qui limite la conception des moteurs.

Avant de pouvoir le lancer dans l’espace ou de le connecter à un avion, l’équipe doit encore tester et optimiser le transistor pour une utilisation pratique. Cela implique de l’intégrer dans des circuits plus complexes, de l’étendre au niveau de la tranche et de garantir que l’ensemble du circuit résistera à des températures et des pressions extrêmes.

En fait, ce n’est peut-être pas un objectif trop ambitieux. NASA a démontré que les circuits intégrés avec SiC-JFET pouvaient résister à des températures de 860 F (460 C) et 9,3 MPa de pression pendant 60 jours, et à 930°F (500 C) dans l’air pendant plus d’un an. De plus, en 2024, une équipe de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon a développé un MOSFET en diamant capable de fonctionner au-dessus de 570 F (300 C).