Transistores para Vênus desenvolvidos nos EUA – eles sobreviverão ao aquecimento de até 800°C

Semicondutores convencionais mal conseguem suportar temperaturas de até 150 graus, enquanto uma ampla gama de processos tecnológicos exige sensores resistentes a temperaturas mais altas. Esses sensores e controladores são necessários para motores a jato e radares de aeronaves que se movem a velocidades muitas vezes superiores à velocidade do som. Tudo isso deu origem a outros materiais, entre os quais se destaca o nitreto de gálio.

Fonte da imagem: Universidade Estadual da Pensilvânia

Anteriormente, pesquisadores propuseram transistores resistentes ao calor baseados em carboneto de silício. Experimentos mostraram que tais transistores podem manter a operação até uma temperatura de aquecimento de 600 °C. O novo trabalho, conduzido por cientistas da Universidade Estadual da Pensilvânia, baseia-se em outro material – nitreto de gálio, que pode suportar um aquecimento ainda maior – de até 800 °C, quando o sal de cozinha comum começa a fluir.

Essa propriedade abre novas áreas de aplicação para a eletrônica que as pessoas talvez nem conheçam hoje. Em áreas mais corriqueiras, porém importantes, chips de nitreto de gálio poderiam ser usados para monitorar turbinas a gás e processos de fabricação com alto consumo de energia em refinarias químicas e de petróleo. Por fim, a eletrônica de alta temperatura é particularmente importante para aplicações espaciais: por exemplo, a temperatura da superfície de Vênus atinge 470 °C. A eletrônica de bordo da sonda venusiana requer transistores completamente diferentes daqueles feitos com semicondutores convencionais.

A capacidade do carboneto de silício e do nitreto de gálio de operar em condições tão extremas se deve à sua ampla lacuna de banda — a lacuna de energia entre as bandas de valência dos materiais, que, em particular, determina sua capacidade de conduzir corrente. Um transistor convencional não será capaz de comutar para o estado fechado quando significativamente aquecido: os elétrons requerem relativamente pouca energia para superar uma lacuna de banda estreita. O carboneto de silício e o nitreto de gálio, por outro lado, requerem significativamente mais energia para excitar os elétrons para a banda de condução, de modo que os transistores feitos desses materiais não ligam espontaneamente em altas temperaturas. Eles não sofrem ruptura térmica.

Cientistas da Universidade Estadual da Pensilvânia criaram um transistor experimental de alta mobilidade eletrônica (HEMT) de nitreto de gálio. Sua estrutura inclui uma película de nitreto de gálio e alumínio sobreposta a uma camada de nitreto de gálio. Essa configuração direciona os elétrons para a interface dos dois materiais, onde se forma um gás de elétrons bidimensional (2DEG) — uma característica distintiva dos HEMTs. Esse gás possui alta mobilidade eletrônica e baixa resistência, o que, entre outras coisas, permite uma comutação muito mais rápida entre os estados ligado/desligado. Nesse aspecto, o nitreto de gálio é superior ao carboneto de silício, que não é tão eficiente na formação de uma nuvem 2DEG.

O transistor experimental HEMT de nitreto de gálio permaneceu operacional por uma hora a 800 °C. Durante esse tempo, demonstrou boas características de desempenho, incluindo baixas correntes de fuga (essa questão teve que ser resolvida separadamente para isolar de forma confiável as camadas de trabalho da nuvem de elétrons móveis).

Quanto aos planos futuros, os próximos passos serão escalar o dispositivo para aumentar seu desempenho. O chip poderá estar pronto para comercialização em breve, visto que existem poucos fornecedores dessas soluções no mercado e a demanda por elas já está formada. Isso será um catalisador para o rápido surgimento da eletrônica de alta temperatura no segmento industrial.