Ученые создали электронику, работающую при температурах от -271°C до +500°C

Ученые из Университета науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST) в Саудовской Аравии создали электронные устройства на основе оксида галлия, которые надежно функционируют в экстремальных температурных диапазонах — от почти абсолютного нуля до 500 °C. Для сравнения, обычная электроника на кремнии выходит из строя уже при температурах выше 200 °C и ниже -173 °C.

Проблема традиционных полупроводников, таких как кремний, заключается в том, что при сильном охлаждении электроны теряют тепловую энергию и перестают двигаться (эффект «вымораживания»), а при нагреве, наоборот, начинают хаотично переходить в проводящее состояние, вызывая утечки тока и отказ устройства.

Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали полупроводник с ультраширокой запрещенной зоной — бета-оксид галлия (β-Ga2O3). Его структура делает электроны гораздо менее восприимчивыми к тепловому возбуждению, что обеспечивает стабильную работу при высоких температурах до 500 °C. Для работы в условиях экстремального холода материал легировали атомами кремния. Высокая концентрация примеси создала «примесную зону», по которой электроны могут «перепрыгивать» даже в отсутствие тепловой энергии, что позволило избежать эффекта вымораживания.

Изображение: Getty / Pla2na

На основе этого материала ученые создали два типа устройств: полевой транзистор с ребристыми каналами (FinFET) и логический инвертор (элемент «НЕ»). Оба устройства продемонстрировали надежную работу при температуре до 2 Кельвинов (-271,1 °C).

«При такой температуре почти нет тепловой энергии, чтобы помочь электронам перейти в зону проводимости оксида галлия. Вместо этого электроны перепрыгивают через „примесную зону", созданную атомами кремния, что позволяет устройству проводить ток», — объяснил профессор Сяохан Ли.

Хотя это не первые электронные устройства, работающие при сверхнизких температурах, они являются первой демонстрацией полупроводника с ультраширокой запрещенной зоной, используемого в транзисторах и логических схемах в таких условиях. Исследователи планируют создать на основе бета-оксида галлия целое семейство термостойких компонентов: радиочастотные транзисторы, фотодетекторы и ячейки памяти. В случае успеха такие устройства идеально подойдут для космических зондов, спутников и другой техники, работающей в условиях перепада температур от абсолютного нуля до сотен градусов.

Источник: Tomshardware.com