Радиосхемы на карбиде кремния могут выдержать вулканическую жару Венеры
Как художник представляет себе будущий венероход, получающий энергию от ветра, дующего в плотной атмосфере Венеры
Летом 2020 года в разгар пандемии были и свои плюсы. Одним из них был полёт американских астронавтов к МКС и успешное их возвращение на коммерческой ракете от SpaceX. Это событие было важным по многим причинам, одна из которых следующая: когда НАСА освободят от необходимости доставлять людей на низкую околоземную орбиту, агентство сможет нацелиться на более далёкие мишени. Может, даже, на Венеру.
Радостное возбуждение по поводу возможной миссии на Венеру подстегнуло открытие в её атмосфере фосфина – возможного признака микробной жизни (хотя сейчас это открытие оспаривают). Однако условия на второй планете от Солнца настолько жёсткие, что дольше всех продержавшийся там спускаемый аппарат, "Венера-13" (СССР), смог передавать данные всего лишь 2 часа 7 минут. Средняя температура на поверхности Венеры составляет 464 °С, в атмосфере полно капель серной кислоты, легко разъедающей металлы, а атмосферное давление на поверхности в 90 раз больше земного. И всё-таки учёные считают Венеру близнецом нашей планеты.
Размеры и массы двух планет почти одинаковы. Судя по некоторым свидетельствам, на Венере могли существовать огромные океаны в течение 3 миллиардов лет – а, следовательно, могла быть и жизнь. Какие катаклизмы привели к потере Венерой воды? Планетологам очень хотелось бы это знать – возможно, это расскажет нам о нашей собственной судьбе в связи с изменениями климата.
Чтобы разгадать эту и другие загадки Венеры нам нужно построить несколько хитроумных роботизированных спускаемых аппаратов. Но получится ли у нас сделать машины с инструментами, средствами коммуникации, управляемые и мобильные, способные выжить в такой враждебной среде не часы, но месяцы и годы?
Можем. Технологии производства материалов шагнули далеко вперёд с 1960-х годов, когда СССР запускал серию посадочных модулей на Венеру. Теперь мы сможем сделать так, что корпус и механика будущего спускаемого аппарата сможет выдержать там несколько месяцев. А что насчёт нежной электроники? В условиях Венеры сегодняшние кремниевые системы не проживут и дня. Земного дня, конечно – день на Венере длится 243 земных. И даже активные системы охлаждения не продлят их жизнь и на 24 часа.
Ответом стал полупроводник, комбинирующий два распространённых элемента, углерод и кремний, в соотношении 1 к 1: карбид кремния, SiC. Он способен выдерживать чрезвычайно высокие температуры, прекрасно функционируя. В исследовательском центре Гленна при НАСА уже более года работают схемы на карбиде кремния при температуре в 500 °С. Это демонстрирует тот факт, что они способны выдерживать подобные температуры, причём на временных промежутках, которые потребует венерианский спускаемый аппарат.
Карбид кремния уже применяется в питающих схемах солнечных инвертеров, электронике электромоторов и продвинутых коммутаторах умных сетей. Однако создание схем на карбиде кремния, способных управлять вездеходом в адских условиях Венеры, и отправлять оттуда данные на Землю, станет проверкой материала на пределе его возможностей. В случае успеха мы получим не просто мобильный аванпост в одной из наименее дружелюбных точек Солнечной системы. Мы поймём, как отправить беспроводные датчики в такие места на Земле, в какие раньше не отправляли – на лопасти турбин реактивных самолётов и газовых турбин, на головки нефтяных буров, в центр различных производственных процессов с высокой температурой и высоким давлением. Способность размещать электронику в таких местах вполне может уменьшить стоимость как работы, так и поддержки оборудования, а также увеличить его эффективность и безопасность.
Наша команда учёных из Королевского технологического института (КТИ) в Стокгольме и из Арканзасского университета в Фэйтевиле считает, что схемы на карбиде кремния могут всё это и даже больше – они способны на то, что мы даже не можем вообразить.
Vulcan II – чип с аналоговыми и цифровыми схемами на карбиде кремния, разработанный для проверки работоспособности при 500 °С. Пока что мы сделали 40 схем с использованием чипа Vulcan II и его предшественника.
1. Кольцевой генератор
2. 8-битные аналого-цифровые преобразователи последовательного приближения и 4-битные аналого-цифровые преобразователи с линейным нарастанием
3. Приёмник RS 485.
4. 8-битные сумматоры и 4-битные умножители
5. Таймер 555
6. Трехкаскадный операционный усилитель
7. Преобразователь тока DC-DC
8. Интегрированные драйверы затвора
Карбид кремния нельзя назвать новым материалом. Начало его крупномасштабного производства связывают с именем Эдварда Гудрича Ачесона, в 1895 году изобретшего процесс синтеза карбида кремния (карборунда), который до сих пор используется для производства. Он пытался получить искусственные алмазы, но в результате эксперимента появились кристаллы SiC. Впервые для работы с электричеством материал успешно использовали в 1906 году – тогда Генри Гаррисон Чейз Данвуди изобрёл радиодетектор. По сей день это считается первым коммерческим полупроводниковым устройством.
Однако наладить надёжное производство крупных кристаллов карборунда крайне сложно. Только в 1990-х годах инженеры изобрели оборудование, позволяющее выращивать достаточно хорошие кристаллы для того, чтобы их можно было использовать для производства силовых транзисторов. Первые пластины из карбида кремния были размером всего в 30 мм, однако постепенно промышленность переходила на пластины размером 50, 75, 100, 150 и даже 200 мм. Повышение размера пластины повышает экономичность устройства. За последние 20 лет исследования и производство продвинулись настолько, что силовые полупроводниковые устройства на карборунде уже можно покупать.
Полупроводник на карбиде кремния имеет несколько весьма притягательных свойств. Первое из них – напряжение пробоя у карборунда в 10 раз больше, чем у кремния. Это, по сути, точка, в которой материал ломается и начинает бесконтрольно проводить электричество, что иногда приводит к взрыву. Поэтому из двух устройств одинаковых размеров, одно на кремнии, а второе на карборунде, второе может выдержать в 10 раз большее напряжение, чем первое. А если сделать два транзистора, выдерживающих одинаковое напряжение, то транзистор из карборунда можно сделать гораздо меньше, чем кремниевый. Разность в размерах даёт разность в энергопотреблении. Для одного и того же напряжения пробоя (допустим, 1200 В) сопротивление включения карборундового транзистора будет в 200-400 раз меньше, чем у кремниевого – следовательно, потери энергии тоже будут меньше. Из-за меньших размером в преобразователе питания можно повышать частоту переключения, а, следовательно, меньшие и более лёгкие конденсаторы и индукторы.
Второе удивительное свойство карбида кремния – теплопроводность. Когда карборунд нагревается из-за проходящего через него тока, тепло можно быстро отводить, что продляет жизнь устройству. Среди полупроводников с широкой запрещенной зоной теплопроводность карборунда уступает лишь алмазу. Это свойство позволяет подключить транзистор из карбида кремния высокой мощности к радиатору такого же размера, какой использовал бы кремниевый транзистор гораздо меньшей мощности – и всё равно получить функциональное и долговременное устройство.
Третье свойство карбида кремния, и самое важное для Венеры – очень малая концентрация переносчиков заряда при комнатной температуре. Эта концентрация говорит о том, сколько переносчиков электричества освобождает тепло. Вы могли бы подумать, что малая концентрация – это плохо. Но только если речь не идёт о работе при высоких температурах.
Дело в том, что кремний теряет полупроводниковые свойства при повышении температуры не потому, что расплавляется или сгорает. Он просто заполняется переносчиками заряда, появившимися из-за нагрева. Жара придаёт электронам энергию, вырывающую их из валентной зоны, где они привязаны к атомам, в проводящую зону, и оставляет положительно заряженные дырки. Теперь эти электроны с дырками вносят свой вклад в проводимость. При умеренных температурах, что для кремния составляет 250-300 °С, транзисторы начинают шуметь и давать утечки тока. При более высоких температурах концентрация переносчиков заряда становится слишком высокой, и транзистор выключить уже не получается – и они становятся чем-то вроде переключателя, заклинившего в положении «вкл».
Запас температуры у карборунда до момента, когда произойдёт «переполнение транзистора», гораздо выше – он работает и при температурах более 800 °С.
Все эти свойства позволяют карбиду кремния работать при более высоком напряжении, мощности и температуре по сравнению с кремнием. И даже при температурах, рабочих для кремния, rарбид кремния часто работает лучше, поскольку такие устройства можно переключать чаще и с меньшими потерями. В итоге получаются более надёжные и эффективные устройства, схемы и системы. Они меньше, легче и способны выжить в условиях Венеры.
Критически важный компонент: посадочному венерианскому модулю потребуется радиоприёмник и радиопередатчик для связи с Землёй. Одной из его важнейших компонент является смеситель частот. При приёме сигнала он преобразует несущий сигнал на 59 МГц в частоту в 500 кГц, более подходящую для оцифровки и обработки. При передаче он производит обратное преобразование. В сердце смесителя находится биполярный плоскостной транзистор из карбида кремния, предназначенный для работы при температурах до 500 °С.
Хотя посадочному модулю понадобятся различные силовые транзисторы, работающие с высоким напряжением, большинство схем – у процессоров, датчиков, радио – потребуют транзисторов с низким рабочим напряжением. Таких транзисторов из карборунда пока делают мало, но благодаря проблеме с корпусами начало положено.
Когда для дискретных силовых устройств из карбида кремния нашли коммерческое применение, инженеры осознали необходимость уменьшить паразитные электрические факторы — нежелательные сопротивление, индуктивность и ёмкость, приводящие к потере энергии. Один из способов сделать это — лучше интегрировать схемы управления, драйвера и защиты с силовыми устройствами, усовершенствовав компоновку схемы. В кремниевой силовой электронике эти схемы расположены на печатных платах. Но на более высоких частотах, которых могут достигать силовые SiC-транзисторы, паразитные характеристики печатной платы могут быть слишком большими, что приведет к чрезмерному шуму. Совместная упаковка или даже объединение этих схем с силовыми устройствами устранит шум. Но последний вариант означал бы необходимость изготавливать и эти схемы из карбида кремния.
Для работы при комнатной температуре карбид кремния не будет лучшим вариантом по нескольким причинам. Самая важная из них, возможно, заключается в том, что энергопотребление и напряжение будет недостаточно низким. Небольшая ширина запрещённой зоны кремния означает, что микроэлектроника может работать с напряжением в 1 В. Однако запрещённая зона карборунда почти в три раза больше. Поэтому минимальное напряжение, необходимое для того, чтобы прокачать ток через транзистор – пороговое напряжение – тоже будет выше. Для нашей микроэлектроники «малого напряжения» на карбиде кремния мы обычно используем 15 В.
Разные исследователи пытаются создавать микроэлектронику низкого напряжения на карборунде уже более 20 лет. Сначала успехи были скромные, но в последние 10 лет было достигнуто несколько прорывов.
С увеличением температуры повышается концентрация переносчиков заряда. При достижении определённой концентрации транзистор переполняется и перестаёт выключаться. У большинства кремниевых устройств это происходит при температуре порядка 250 °С, но устройства на карбиде кремния могут переключаться даже при 1000 °С.
Одной из первых ключевых схем для микроэлектроники, созданной инженерами из Арканзаса, стал драйвер затвора, управляющий силовым транзистором через входной электрод, или затвор. Мы уже сделали несколько вариантов этой схемы, и проверили на работу при температурах, похожих на венерианские. Устройство позволило очень чётко управлять источниками питания, максимально увеличивая эффективность и минимизируя электромагнитную интерференцию. Сложнее всего было разработать схему, способную адаптироваться к изменяющимся условиям и учитывать эффект старения, которые наверняка проявятся в жёстких условиях Венеры.
Драйверы затвора важны, но с точки зрения учёных, желающих изучать другие планеты, наиболее важной системой будет радиопередатчик. Нет смысла отправлять на другую планету набор научных приборов, если не получится передать полученные данные на Землю.
Ещё важнее будет собрать компактное и надёжное радио, поскольку оно сможет передавать данные внутри самого вездехода вместо тысяч проводков. Замена проводов на беспроводное управление значительно уменьшает массу устройства – а это очень важно для путешествия в 40 млн км.
Поэтому в последнем нашем проекте мы преимущественно занимались разработкой и испытаниями компонентов межпланетного радио трансивера на основе карбида кремния. Никто не стал бы в первую очередь выбирать карборунд, допустим, для изготовления радиостанции, работающей на частотах 5G на Земле. Во-первых, при комнатной температуре мобильность переносчиков заряда у карборунда – а это один из параметров, от которого зависит максимум частот, которые полупроводник может усиливать – ниже, чем у кремния. Но при таких температурах, как на поверхности Венеры, кремний вообще не работает, поэтому имеет смысл адаптировать для этой цели карбид кремния.
Что касается радиочастот, тут у карборунда есть одно преимущество. Малое количество переносчиков заряда гарантирует низкую паразитную ёмкость материала. То есть, поскольку зарядов мало, они вряд ли будут взаимодействовать так, что эффективность устройства упадёт.
Избранная нами архитектура трансивера называется гетеродином с низкой промежуточной частотой. Гетеро- по-гречески означает «другой», а -дин – «энергия». Чтобы понять, как что работает, проследуем за сигналом, начиная с приёмника. Радиосигналы с антенны обрабатывает усилитель с низким шумом, после чего они подаются в смеситель. Смеситель комбинирует полученный сигнал с другой частотой, близкой к несущей. Получается сигнал с двумя новыми промежуточными частотами – одна из них выше, чем у несущей, а другая – ниже. Затем от более высокой избавляется фильтр нижних частот. Оставшаяся промежуточная частота, которую удобнее обрабатывать, усиливается и оцифровывается АЦП, и полученные биты передаются в блок цифровой обработки.
Итоговая реализация схемы, выполнявшей все эти функции, определялась тем, как на высоких частотах работал биполярный транзистор, разработанный в КТИ. Получился приёмо-передатчик, работающий на частоте 59 МГц, являющейся балансом между ограничениями транзистора на частоту сверху и возможностями пассивных компонентов схемы, падающими при понижении частот. Советские спускаемые аппараты использовали близкую частоту – 80 МГц. Современные станции, скорее всего, передадут информацию на находящийся на орбите корабль, который затем сможет использовать частоты НАСА для глубокого космоса, чтобы передать сведения домой.
Одна из важнейших частей трансивера – смеситель частот, понижающий частоту с 59 МГц до 500 кГц. В его сердце находится биполярный транзистор, на вход которого подаются сигналы 59 МГц и 59,5 МГц. Его выход с коллектора подсоединён к набору конденсаторов и резисторов, способных работать при 500 °С, отфильтровывающему высокую частоту, и оставляющему только промежуточную частоту в 500 кГц.
Распределение тепла в драйвере затвора из карбида кремния на испытаниях
По сравнению с низкочастотными аналоговыми и цифровыми компонентами, идущими после смесителя, обработка радиосигналов была сложным делом на всех стадиях разработки. Не было точных моделей транзистора, были проблемы с совпадением импеданса, с надёжностью резисторов, конденсаторов, индукторов и печатных плат.
Кстати, печатные платы вообще не похожи на привычные вам. Платы из FR-4, на которых работает всё, от мобильных устройств до самых крутых серверов, в условиях Венеры ослабели бы и развалились. Мы использовали низкотемпературную совместно обжигаемую керамику. Чипы подсоединяются к этой прочнейшей плате золотыми проводниками, а не алюминиевыми, которые бы быстро размягчились. Вместо медных дорожек, которые отслоились бы, компоненты соединяются серебряными проводниками, некоторые из которых имеют оболочку из титана. В качестве индукторов выступают золотые спирали (да, такие платы будут дорогими).
Хотя смеситель частот – вещь очень важная, венероходу потребуется гораздо больше всего. Пока что мы, учёные Арканзасского университета и Королевского технологического института разработали, создали и испытали 40 различных схем для работы в условиях 500 °С. Среди них есть и другие радиосхемы, аналоговые части трансивера, многие цифровые устройства для обработки данных с трансивера, и будущие датчики для исследования планеты. Многие из них знакомы любому инженеру – 555-й таймер, 8-битные АЦП, система фазовой автоподстройки частоты и набор схем для работы с Булевой логикой. Конечно, поскольку всё это производилось вручную небольшими партиями, долгосрочных испытаний пока не проводилось. В наших лабораториях мы проверяли эти устройства в условиях высоких температур по одной-две недели. Однако мы вдохновляемся результатами длительных экспериментов других групп, судя по которым, наши схемы смогут проработать дольше.
В частности, в исследовательском центре Гленна при НАСА недавно сделали интегральные схемы на основе карбида кремния, по 200 транзисторов на чип, проработавшие 60 дней в камере, имитирующей условия Венеры. В камере было давление 9,3 МПа, температура 460 °С и едкая атмосфера планеты. Ни один из транзисторов не отказал – а значит, они могли бы прослужить гораздо дольше.
Многое ещё предстоит сделать. Нам нужно сконцентрироваться на интеграции различных спроектированных схем и улучшении эффективности уже работающих. Нам нужно разработать другие схемы и доказать, что они смогут стабильно работать многие месяцы и годы в температурных условиях поверхности Венеры. И это особенно важно для того, чтобы радиоустройства и другие системы низкого энергопотребления на базе карборунда когда-нибудь стали использовать в таких коммерческих приложениях, как изучение газовых и реактивных турбин. Если как следует взяться за дело и правильно выстроить приоритеты, до этого пройдут не десятилетия, а несколько лет.
Будут ли схемы на базе карбида кремния готовы к будущему полёту на Венеру? Точнее будет сказать, что полёт не будет готов без них.
Автор: Вячеслав Голованов
