Siliziumkarbid-Funkkreise können der vulkanischen Hitze der Venus standhalten
Als Künstler stellt er sich einen zukünftigen Venusrover vor, der Energie vom Wind erhält, der in der dichten Atmosphäre der Venus weht.
Im Sommer 2020, auf dem Höhepunkt der Pandemie, gab es auch Vorteile. Einer von ihnen war der Flug amerikanischer Astronauten zur ISS und ihre erfolgreiche Rückkehr mit einer kommerziellen Rakete von SpaceX. Dieses Ereignis war aus vielen Gründen wichtig, unter anderem aus folgenden Gründen: Wenn die NASA von der Notwendigkeit befreit ist, Menschen in eine erdnahe Umlaufbahn zu bringen, kann die Agentur weiter entfernte Ziele anvisieren. Vielleicht sogar zur Venus.
Die Aufregung über eine mögliche Mission zur Venus spornte die Entdeckung von Phosphin in seiner Atmosphäre an - ein mögliches Zeichen für mikrobielles Leben (obwohl diese Entdeckung jetzt umstritten ist). Die Bedingungen auf dem zweiten Planeten von der Sonne aus sind jedoch so hart, dass der Lander, der dort am längsten dauerte, Venera-13 (UdSSR), nur 2 Stunden und 7 Minuten lang Daten übertragen konnte. Die durchschnittliche Temperatur auf der Oberfläche der Venus beträgt 464 ° C, die Atmosphäre ist voller Schwefelsäuretröpfchen, die Metalle leicht korrodieren, und der atmosphärische Druck auf der Oberfläche ist 90-mal höher als der der Erde. Und doch betrachten Wissenschaftler die Venus als den Zwilling unseres Planeten.
Die Größen und Massen der beiden Planeten sind nahezu gleich. Basierend auf einigen Beweisen könnten auf der Venus seit 3 Milliarden Jahren riesige Ozeane existiert haben - und daher hätte es Leben geben können. Welche Kataklysmen führten zum Wasserverlust der Venus? Planetenforscher würden das gerne wissen - vielleicht erzählt es uns von unserem eigenen Schicksal im Zusammenhang mit dem Klimawandel.
Um dieses und andere Rätsel der Venus zu lösen, müssen wir einige clevere Roboter-Abstiegsfahrzeuge bauen. Aber werden wir in der Lage sein, Maschinen mit Werkzeugen, Kommunikationsmitteln, kontrolliert und mobil herzustellen, die in einer solch feindlichen Umgebung nicht stunden-, sondern monatelang und jahrelang überleben können?
Wir können. Die Materialproduktionstechnologie hat seit den 1960er Jahren große Fortschritte gemacht, als die UdSSR eine Reihe von Landern für die Venus auf den Markt brachte. Jetzt können wir sicherstellen, dass Rumpf und Mechanik des zukünftigen Abstiegsfahrzeugs dort mehrere Monate standhalten. Was ist mit empfindlicher Elektronik? In der venusianischen Umgebung halten die heutigen Siliziumsysteme keinen Tag. Ein Tag der Erde natürlich - ein Tag auf der Venus dauert 243 Tage der Erde. Und selbst aktive Kühlsysteme verlängern ihre Lebensdauer nicht um 24 Stunden.
Die Antwort war ein Halbleiter, der zwei gemeinsame Elemente, Kohlenstoff und Silizium, in einem Verhältnis von 1 zu 1 kombinierte: Siliziumkarbid, SiC. Es hält extrem hohen Temperaturen stand und funktioniert einwandfrei. Im Glenn Research CenterBei der NASA arbeiten Siliziumkarbidschaltungen seit mehr als einem Jahr bei einer Temperatur von 500 ° C. Dies zeigt die Tatsache, dass sie solchen Temperaturen standhalten können und in den Zeitintervallen, die der venusianische Lander benötigen würde.
Siliziumkarbid wird bereits in Stromversorgungskreisen für Solarwechselrichter, Elektromotorelektronik und fortschrittliche Smart-Grid-Schalter verwendet. Durch die Schaffung von Siliziumkarbidschaltungen, mit denen ein Geländewagen unter den höllischen Bedingungen der Venus gefahren werden kann, und das Senden von Daten von dort zur Erde wird das Material jedoch bis an seine Grenzen getestet. Wenn dies gelingt, erhalten wir mehr als nur einen mobilen Außenposten an einem der am wenigsten freundlichen Punkte im Sonnensystem. Wir werden verstehen, wie man drahtlose Sensoren an Orte auf der Erde sendet, die wir noch nie zuvor gesendet haben - an die Turbinenschaufeln von Düsenflugzeugen und Gasturbinen, an die Köpfe von Ölbohrern, an das Zentrum verschiedener Hochtemperatur- und Hochdruckfertigungen Prozesse. Die Möglichkeit, Elektronik an solchen Orten zu platzieren, kann die Kosten für den Betrieb und die Wartung von Geräten erheblich senken.und auch um seine Wirksamkeit und Sicherheit zu erhöhen.
Unser Team von Wissenschaftlern des Royal Institute of Technology (KTI) in Stockholm und der Universität von Arkansas in Fateville glaubt, dass Siliziumkarbidschaltungen all dies und mehr können - sie sind zu Dingen fähig, die wir uns nicht einmal vorstellen können.
Der Vulcan II ist ein analoger und digitaler Siliziumkarbid-Chip, der für Leistungstests bei 500 ° C entwickelt wurde. Bisher haben wir 40 Schaltkreise mit dem Vulcan II-Chip und seinem Vorgänger hergestellt.
1. Ringgenerator
2. 8-Bit-SAR-Analog-Digital-Wandler und 4-Bit-Rampen-Analog-Digital-Wandler
3. RS 485-Empfänger
4. 8-Bit-Addierer und 4-Bit-Multiplikatoren
5. 555-Timer
6. Drei -stufiger Operationsverstärker
7. DC-DC-Stromwandler
8. Integrierte Gate-Treiber
Siliziumkarbid ist kein neues Material. Der Beginn seiner großtechnischen Produktion ist mit dem Namen Edward Goodrich Acheson verbunden , der 1895 das Verfahren zur Synthese von Siliciumcarbid (Carborundum) erfand, das bis heute für die Produktion verwendet wird. Er versuchte künstliche Diamanten zu bekommen, aber als Ergebnis des Experiments erschienen SiC-Kristalle. Zum ersten Mal wurde das Material 1906 erfolgreich für die Arbeit mit Elektrizität eingesetzt - dann erfand Henry Harrison Chase Dunwoody einen Funkdetektor. Bis heute gilt es als erstes kommerzielles Halbleiterbauelement.
Es ist jedoch äußerst schwierig, eine zuverlässige Produktion großer Carborundumkristalle herzustellen. Erst in den 1990er Jahren erfanden die Ingenieure Geräte, mit denen Kristalle gezüchtet werden konnten, die für die Herstellung von Leistungstransistoren geeignet waren. Die ersten Siliziumkarbidplatten hatten nur eine Größe von 30 mm, aber nach und nach wechselte die Industrie zu Platten mit 50, 75, 100, 150 und sogar 200 mm. Das Erhöhen der Größe der Platte erhöht die Effizienz der Vorrichtung. In den letzten 20 Jahren sind Forschung und Produktion so weit fortgeschritten, dass Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter bereits gekauft werden können.
Ein Siliciumcarbid-Halbleiter hat mehrere sehr attraktive Eigenschaften. Die erste davon ist, dass die Durchbruchspannung von Carborundum zehnmal höher ist als die von Silizium. Dies ist im Wesentlichen der Punkt, an dem das Material zusammenbricht und beginnt, Elektrizität unkontrolliert zu leiten, was manchmal zu einer Explosion führt. Daher kann von zwei Geräten gleicher Größe, eines auf Silizium und das andere auf Carborundum, das zweite zehnmal mehr Spannung aushalten als das erste. Und wenn Sie zwei Transistoren herstellen, die der gleichen Spannung standhalten, kann ein Siliziumkarbidtransistor viel kleiner als ein Siliziumtransistor sein. Der Größenunterschied ergibt den Unterschied im Stromverbrauch. Bei gleicher Durchbruchspannung (z. B. 1200 V) ist der Einschaltwiderstand eines Siliziumkarbidtransistors 200-400-mal geringer als der eines Siliziumtransistors - daher sind auch die Energieverluste geringer.Aufgrund der geringeren Größe des Stromrichters ist es möglich, die Schaltfrequenz und damit kleinere und leichtere Kondensatoren und Induktivitäten zu erhöhen.
Die zweite überraschende Eigenschaft von Siliciumcarbid ist die Wärmeleitfähigkeit. Wenn das Carborundum durch den durch ihn fließenden Strom erwärmt wird, kann die Wärme schnell abgeführt werden, was die Lebensdauer des Geräts verlängert. Unter Halbleitern mit einer breiten Bandlücke ist die Wärmeleitfähigkeit von Carborundum nach Diamant an zweiter Stelle. Diese Eigenschaft ermöglicht es, einen Hochleistungs-Siliziumkarbidtransistor an einen Kühlkörper anzuschließen, der die gleiche Größe wie ein Siliziumkarbidtransistor mit viel geringerer Leistung hat - und dennoch über eine funktionierende und langlebige Vorrichtung verfügt.
Die dritte Eigenschaft von Siliciumcarbid und die wichtigste für Venus ist eine sehr geringe Konzentration von Ladungsträgern bei Raumtemperatur. Diese Konzentration gibt an, wie viele Stromträger Wärme abgeben. Sie könnten denken, dass eine geringe Konzentration schlecht ist. Aber nur, wenn wir nicht über Arbeit bei hohen Temperaturen sprechen.
Tatsache ist, dass Silizium seine Halbleitereigenschaften verliert, wenn die Temperatur steigt, nicht weil es schmilzt oder ausbrennt. Es füllt sich einfach mit Ladungsträgern, die durch Wärme erzeugt werden. Die Wärme gibt den Elektronen die Energie, die sie aus dem Valenzband, wo sie an Atome gebunden sind, in das leitende Band reißt und positiv geladene Löcher hinterlässt. Nun tragen diese Elektronen mit Löchern zur Leitfähigkeit bei. Bei moderaten Temperaturen, die für Silizium zwischen 250 und 300 ° C liegen, beginnen Transistoren Rauschen und Leckstrom zu erzeugen. Bei höheren Temperaturen wird die Konzentration der Ladungsträger zu hoch und der Transistor kann nicht mehr ausgeschaltet werden - und sie werden zu einem Schalter, der in der Position "Ein" eingeklemmt ist.
Die Temperaturreserve von Carborundum bis zu dem Zeitpunkt, an dem der "Transistorüberlauf" auftritt, ist viel höher - sie funktioniert auch bei Temperaturen über 800 ° C.
Alle diese Eigenschaften ermöglichen es Siliziumkarbid, bei einer höheren Spannung, Leistung und Temperatur als Silizium zu arbeiten. Und selbst bei Temperaturen, die für Silizium funktionieren, ist Siliziumkarbid oft besser, da solche Geräte häufiger und mit weniger Verlust geschaltet werden können. Das Ergebnis sind zuverlässigere und effizientere Geräte, Schaltungen und Systeme. Sie sind kleiner, leichter und können unter den Bedingungen der Venus überleben.
Kritische Komponente: Der Venusianer benötigt einen Funkempfänger und -sender, um mit der Erde zu kommunizieren. Eine der wichtigsten Komponenten ist der Frequenzmischer. Beim Empfang eines Signals wird das 59-MHz-Trägersignal in eine Frequenz von 500 kHz umgewandelt, die für die Digitalisierung und Verarbeitung besser geeignet ist. Bei der Übertragung wird die inverse Transformation durchgeführt. Das Herzstück des Mischers ist ein Bipolartransistor aus Siliziumkarbid, der für den Betrieb bei Temperaturen bis zu 500 ° C ausgelegt ist.
Während der Lander eine Vielzahl von Hochspannungs-Leistungstransistoren benötigt, benötigen die meisten Schaltungen - Prozessor, Sensor, Radio - Niederspannungstransistoren. Bisher werden nur wenige solcher Transistoren aus Carborundum hergestellt, aber dank des Problems mit den Fällen wurde ein Anfang gemacht.
Als kommerzielle Anwendungen für diskrete Siliziumkarbid-Leistungsbauelemente gefunden wurden, erkannten die Ingenieure die Notwendigkeit, elektrische parasitäre Faktoren - unerwünschter Widerstand, Induktivität und Kapazität - zu reduzieren, die zu Energieverschwendung führen. Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, Steuerungs-, Treiber- und Schutzschaltungen besser in Leistungsgeräte zu integrieren und das Schaltungslayout zu verbessern. In der Silizium-Leistungselektronik befinden sich diese Schaltungen auf Leiterplatten. Bei den höheren Frequenzen, die SiC-Leistungstransistoren erreichen können, können die parasitären Eigenschaften der Leiterplatte jedoch zu hoch sein, was zu übermäßigem Rauschen führt. Durch das Packen oder sogar Kombinieren dieser Schaltkreise mit Leistungsgeräten wird Rauschen vermieden. Die letztere Option würde jedoch die Notwendigkeit bedeuten, diese Schaltungen aus Siliziumkarbid herzustellen.
Für den Betrieb bei Raumtemperatur ist Siliziumkarbid aus mehreren Gründen nicht die beste Option. Das vielleicht wichtigste davon ist, dass der Stromverbrauch und die Spannung nicht niedrig genug sind. Die geringe Bandlücke von Silizium bedeutet, dass die Mikroelektronik bei einer Spannung von 1 V arbeiten kann. Die Bandlücke von Carborundum ist jedoch fast dreimal größer. Daher ist auch die minimale Spannung, die erforderlich ist, um Strom durch den Transistor zu pumpen - die Schwellenspannung - höher. Für unsere "Niederspannungs" -Siliciumcarbid-Mikroelektronik verwenden wir normalerweise 15 V.
Verschiedene Forscher haben über 20 Jahre lang versucht, eine Niederspannungs-Mikroelektronik auf Carborundum herzustellen. Die Fortschritte waren zunächst bescheiden, aber in den letzten 10 Jahren wurden mehrere Durchbrüche erzielt.
. . 250 °, 1000 °.
Eine der ersten Schlüsselschaltungen für die Mikroelektronik, die von Ingenieuren in Arkansas entwickelt wurde, war ein Gate-Treiber, der einen Leistungstransistor über eine Eingangselektrode oder ein Gate ansteuert. Wir haben bereits mehrere Versionen dieser Schaltung hergestellt und getestet, um bei Temperaturen zu arbeiten, die denen der Venus ähnlich sind. Das Gerät ermöglichte eine sehr genaue Steuerung der Stromversorgungen, maximierte die Effizienz und minimierte elektromagnetische Störungen. Am schwierigsten war es, ein Schema zu entwickeln, das sich an veränderte Bedingungen anpassen und die Auswirkungen des Alterns berücksichtigen kann, die sich wahrscheinlich unter den harten Bedingungen der Venus manifestieren.
Die Verschlusstreiber sind wichtig, aber aus der Sicht von Wissenschaftlern, die andere Planeten untersuchen wollen, wird das wichtigste System der Funksender sein. Es macht keinen Sinn, eine Reihe wissenschaftlicher Instrumente auf einen anderen Planeten zu senden, wenn es unmöglich ist, die empfangenen Daten auf die Erde zu übertragen.
Es wird noch wichtiger sein, ein kompaktes und zuverlässiges Funkgerät zusammenzubauen, da es Daten innerhalb des Rovers selbst übertragen kann, anstatt Tausende von Kabeln. Das Ersetzen der Kabel durch eine drahtlose Steuerung reduziert das Gewicht des Geräts erheblich - und dies ist für eine Fahrt von 40 Millionen km sehr wichtig.
Daher haben wir uns in unserem letzten Projekt hauptsächlich mit der Entwicklung und Erprobung von Komponenten für einen interplanetaren Funk-Transceiver auf der Basis von Siliziumkarbid befasst. Niemand würde sich überhaupt für Carborundum entscheiden, zum Beispiel für die Herstellung eines Radiosenders, der mit 5G-Frequenzen auf der Erde arbeitet. Erstens ist bei Raumtemperatur die Mobilität von Ladungsträgern im Carborundum - und dies ist einer der Parameter, die die maximalen Frequenzen bestimmen, die ein Halbleiter verstärken kann - geringer als die von Silizium. Bei Temperaturen wie auf der Oberfläche der Venus funktioniert Silizium jedoch überhaupt nicht. Daher ist es sinnvoll, Siliziumkarbid für diesen Zweck anzupassen.
Bei Radiofrequenzen hat Carborundum einen Vorteil. Die geringe Anzahl von Ladungsträgern garantiert eine geringe parasitäre Kapazität des Materials. Das heißt, da es nur wenige Ladungen gibt, ist es unwahrscheinlich, dass sie so interagieren, dass die Effizienz des Geräts abnimmt.
Unsere gewählte Transceiver-Architektur wird als LO mit niedriger Zwischenfrequenz bezeichnet . ... Hetero bedeutet auf Griechisch "andere" und -din bedeutet "Energie". Um zu verstehen, wie das funktioniert, folgen wir dem Signal, beginnend mit dem Empfänger. Die Funksignale von der Antenne werden von einem rauscharmen Verstärker verarbeitet und anschließend dem Mischer zugeführt. Der Mischer kombiniert das empfangene Signal mit einer anderen Frequenz in der Nähe des Trägers. Das Ergebnis ist ein Signal mit zwei neuen Zwischenfrequenzen - eine davon ist höher als die des Trägers und die andere ist niedriger. Dann wird der Tiefpassfilter den höheren los. Die verbleibende Zwischenfrequenz, die bequemer zu verarbeiten ist, wird vom ADC verstärkt und digitalisiert, und die empfangenen Bits werden an die digitale Verarbeitungseinheit übertragen.
Die endgültige Implementierung der Schaltung, die alle diese Funktionen ausführte, wurde dadurch bestimmt, wie der am KTI entwickelte Bipolartransistor bei hohen Frequenzen arbeitete. Das Ergebnis ist ein Transceiver, der mit einer Frequenz von 59 MHz arbeitet. Dies ist ein Gleichgewicht zwischen den Beschränkungen des Transistors für die Frequenz von oben und den Fähigkeiten der passiven Komponenten der Schaltung, die fallen, wenn die Frequenzen gesenkt werden. Fahrzeuge mit sowjetischer Abstammung verwendeten eine Nahfrequenz von 80 MHz. Moderne Stationen übertragen wahrscheinlich Informationen an ein umlaufendes Raumschiff, das dann die Weltraumfrequenzen der NASA verwenden kann, um die Informationen nach Hause weiterzuleiten.
Einer der wichtigsten Teile des Transceivers ist der Frequenzmischer, der die Frequenz von 59 MHz auf 500 kHz verkleinert. In seinem Herzen befindet sich ein Bipolartransistor, dessen Eingang 59 MHz und 59,5 MHz signalisiert. Sein Kollektorausgang ist mit einer Reihe von Kondensatoren und Widerständen verbunden, die bei 500 ° C arbeiten können, die Hochfrequenz herausfiltern und nur eine Zwischenfrequenz von 500 kHz belassen.
Wärmeverteilung im Siliziumkarbid-Gate-Treiber beim Testen
Im Vergleich zu niederfrequenten analogen und digitalen Komponenten nach dem Mischer war die HF-Signalverarbeitung in allen Entwicklungsstadien eine Herausforderung. Es gab keine genauen Modelle des Transistors, es gab Probleme mit der Impedanzanpassung, mit der Zuverlässigkeit von Widerständen, Kondensatoren, Induktivitäten und Leiterplatten.
Übrigens sehen Leiterplatten nicht so aus, wie Sie es gewohnt sind. Die FR-4-Karten, die alles von Mobilgeräten bis zu den coolsten Servern versorgen, würden in Venus schwächer werden und auseinanderfallen. Wir haben mitgebrannte Niedertemperaturkeramik verwendet . Chips sind mit Goldleitern an diese stärkste Platine angeschlossen, nicht mit Aluminium, das schnell weich werden würde. Anstelle von Kupferspuren, die sich ablösen würden, sind die Komponenten durch Silberleiter verbunden, von denen einige mit Titan ummantelt sind. Goldspiralen wirken als Induktoren (ja, solche Platinen sind teuer).
Während der Frequenzmischer eine sehr wichtige Sache ist, wird der Venus Rover viel mehr als alles andere brauchen. Bisher haben wir Wissenschaftler an der Universität von Arkansas und am Royal Institute of Technology 40 verschiedene Schaltkreise für den Betrieb unter 500 ° C-Bedingungen entworfen, gebaut und getestet. Darunter befinden sich andere Funkschaltungen, analoge Teile des Transceivers, viele digitale Geräte zur Verarbeitung von Daten vom Transceiver und zukünftige Sensoren für die Planetenerkundung. Viele von ihnen sind jedem Ingenieur bekannt - 555-Timer, 8-Bit-ADCs, Phasenregelkreis und eine Reihe von Booleschen Logikschaltungen. Da dies alles in kleinen Chargen handgefertigt wurde, wurden natürlich noch keine Langzeittests durchgeführt. In unseren Labors haben wir diese Geräte ein bis zwei Wochen lang unter Hochtemperaturbedingungen getestet.Wir sind jedoch von den Ergebnissen von Langzeitexperimenten anderer Gruppen inspiriert, nach denen unsere Schaltkreise länger arbeiten können.
Insbesondere das Glenn Research Center der NASA hat kürzlich integrierte Schaltkreise auf Siliziumkarbidbasis hergestellt, 200 Transistoren pro Chip, die 60 Tage lang in einer Kammer gearbeitet haben, die die Venusbedingungen simuliert. Die Kammer hatte einen Druck von 9,3 MPa, eine Temperatur von 460 ° C und eine korrosive Planetenatmosphäre. Keiner der Transistoren ist ausgefallen - was bedeutet, dass sie viel länger halten können.
Es bleibt noch viel zu tun. Wir müssen uns darauf konzentrieren, die verschiedenen entworfenen Schaltkreise zu integrieren und die Effizienz der bereits in Betrieb befindlichen Schaltkreise zu verbessern. Wir müssen andere Schaltkreise entwickeln und beweisen, dass sie unter den Temperaturbedingungen der Oberfläche der Venus viele Monate und Jahre lang stabil arbeiten können. Dies ist besonders wichtig, wenn Funkgeräte und andere auf Carborundum basierende Systeme mit geringem Stromverbrauch jemals in kommerziellen Anwendungen wie der Untersuchung von Gas- und Jet-Turbinen eingesetzt werden. Wenn Sie zur Sache kommen und die richtigen Prioritäten setzen, dauert es nicht Jahrzehnte, sondern mehrere Jahre.
Werden Siliziumkarbidschaltungen für eine zukünftige Venus-Mission bereit sein? Es wäre genauer zu sagen, dass der Flug ohne sie nicht bereit wäre.