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“极限”晶体管可承受 1000+ F 的热量 - 使其可用于金星绑定探针
碳化硅晶体管的设计旨在避免低可控性和电流泄漏，这通常会在高温下成为问题。
来源:LiveScience该晶体管能够在室温至 1112 F (600 C) 的温度范围内正常工作。
（图片来源：Science Graphics）
日本科学家制造出一种新型晶体管，可以承受 1,110 华氏度（600 摄氏度）的温度。如此坚固的组件有一天可能会用于金星表面探测器——金星上厚厚的二氧化碳大气层温度可达 860 华氏度（460 摄氏度）。
大多数现代技术，包括用于深空探索的仪器，都使用晶体管来控制电流。但新器件是一种结型场效应晶体管（JFET），其中电场的强度会改变沟道的电导率。
JFET 通常用于专业应用，因为它们比广泛用于消费类智能手机和计算机的更常见的金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 更难按比例缩小。但 JFET 可以提供较低的噪声水平，因为它们的运行不依赖于可能引入干扰的氧化层。
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研究人员在 8 月 17 日发表在《APL Electronic Devices》杂志上的一项研究中概述了新型晶体管的工作原理。
受不了热
至少从本世纪初开始，碳化硅 (SiC) JFET 就被认为是前往金星的低功耗集成电路的一个有前途的选择，因为该材料具有承受高温的固有能力。
正如科学家在新研究中指出的那样：“过去的着陆器被硅基电子设备限制在只有几个小时。”金星 13 号是苏联时代的着陆器，保持着航天器在金星上存活时间最长的世界纪录，为 2 小时 7 分。
“用 SiC 制造的集成电路 (IC) 对于传统硅基 IC 无法可靠运行的极端环境特别有吸引力，例如深空探索、地热钻探和航空发动机控制，”研究人员补充道。
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但最近开发的SiC-JFET都遇到了同样的两个问题：可控性低和漏电流大。前者与碳化硅衬底如何掺杂其他原子以改变其电性能有关，从而定义其栅极（产生电场的地方）和沟道（电流流动的地方）区域。
该团队使用掺杂剂在晶体管周围的 SiC 中创建两个半导体“阱”，以避免出现大漏电流。
在具有规则晶体结构的材料（如 SiC）中，某些掺杂剂原子可能渗透得比预期更深。这在正常条件下并不重要，但当暴露在高温下时，它会导致打开沟道所需的场电压发生变化，并使晶体管更难以可靠控制。科学家们发现，它可以使传统 JFET 电压阈值降低 2 伏以上。
此外，在高于 660 F (350 C) 的温度下，SiC 衬底的电阻会降低，即使在晶体管关闭时也允许电流流动。这使得 JFET 更难正确控制电流，可能会导致错误信号并增加功耗。
即使是性能最高的 JFET 也只能在 930 F (500 C) 的温度下长期运行，但京都团队有一个理论来解释为什么这些挑战仍未得到解决。
翻转晶体管
“我们认为，缺乏发展是因为研究界一直在尝试将硅时代的思维应用于一种根本不同的材料，”该研究的第一作者、京都大学工程学副教授 Mitsuaki Kaneko 在一份声明中说。
研究人员在设计新型 SiC-JFET 时考虑到了这两个挑战。为了提高可控性，他们采用了底栅结构，其中栅极位于 SiC 导电沟道下方。
其栅极区域在设计上进行了重掺杂，因此当沟道中的掺杂原子更深地渗透到 SiC 中时，它不会改变沟道栅极区域的整体掺杂分布，即使在高温下也限制了其对阈值电压的影响。
该团队还使用掺杂剂在 JFET 周围的 SiC 中创建了两个半导体区域或“阱”。阱之间的边界充当电流流动的屏障，这意味着即使 SiC 在高温下变得更导电，当晶体管关闭时电流也无法绕过沟道。
坚固的晶体管可用于金星表面探测器，那里浓密的二氧化碳大气层温度可达 860 F (460 C)。
研究人员根据新型 JFET 的厚度和掺杂水平，测量了新型 JFET 开关电流的能力以及实际阈值电压与理论值的匹配程度。他们在室温至 1,110 F (600 C) 的温度范围内记录了这些指标。
“制造的器件在超过 873 K [1,110°F] 的温度下表现出稳定、正常的晶体管运行，为超高温 SiC 器件开辟了可能性，”他们在研究中写道。此外，在大约 750 F (400 C) 时，由于采用了底栅设计，阈值电压误差小于 0.1 V。
科学家们表示，除了金星表面探测器之外，这种晶体管还可用于喷气发动机内部。目前，连接到燃气轮机的部件必须使用热屏蔽、长电线和能源密集型冷却系统来保护其免受极端温度的影响，这限制了发动机的设计。
在将其发射到太空或连接到飞机上之前，该团队仍然需要测试和优化晶体管以供实际使用。这包括将其集成到更复杂的电路中，将其扩展到晶圆级并确保整个电路封装能够承受极端的温度和压力。
事实上，这可能不是一个太高的目标。NASA 证明，采用 SiC-JFET 的集成电路可以承受 860°F (460°C) 的温度和 9.3 MPa 的压力 60 天，并在空气中承受 930°F (500°C) 的温度一年多。此外，2024 年，日本国家材料科学研究所的一个团队开发了一种金刚石 MOSFET，可以在 570 F（300 C）以上工作。
“基于离子注入的 SiC 底栅 JFET 的工作温度超过 600°C”，作者：Mitsuaki Kaneko、Shunya Shibata 和 Tsunenobu Kimoto，APL Electronic Devices (2026)。该文章可在 https://doi.org/10.1063/5.0346734 访问。