Изследователи от KAUST са открили, че електронните устройства на базата на галиев оксид могат да работят при температури, по-ниски дори от тези в космоса. Тази характеристика може да се използва в задачи и среди с екстремни температури, като например квантовите компютри и изследването на космоса.

Компютърните чипове, сензорите и другите електронни системи се базират на полупроводници. Тези материали имат енергийна междина, известна като забранена зона, през която електроните трябва да преминат, за да провеждат електричество. При ниски температури обаче електроните попадат в капан и не могат да се движат. Това явление се нарича „замръзване“.

„На практика повечето конвенционални електронни устройства започват да отказват при температури под 100 К (-173 °C)“,

заяви Вишал Ханделвал, един от участниците в новото експериментално изследване, ръководено от Сяохан Ли.

Тъй като електрониката е изложена на много по-ниски температури – в космоса и в квантовите компютри, работещи при едва 4 К (-269,15 °C) – тя изисква системи за топлинно управление, които увеличават разходите, обема и сложността.

Екипът на KAUST отдавна изследва полупроводника със свръхширока свободна зона – бета-галиев оксид (β-Ga2O3), който преди това е показал своята устойчивост на радиация и високи температури. Благодарение на широката си забранена зона, устройствата, базирани на галиев оксид, имат по-малко токови утечки и продължават да работят дори при 500 °C, което далеч надхвърля възможностите на конвенционалните силициеви схеми.

По-ранни изследвания показват също, че материалът не е подложен на ефекта на замръзване, характерен за другите полупроводници. За да се възползват от този ефект, изследователите създават две устройства, базирани на галиев бета-оксид с примес от силициеви атоми. Тази добавка снабдява устройствата с електрони, които позволяват протичането на електрическия ток.

Първото устройство е полеви транзистор (FinFET) с оребрени канали, които го правят по-мощен и стабилен от обикновените полеви транзистори. Вторият логически компонент, наречен инвертор (известен също като NOT гейт), е основен компонент на компютърните схеми. И двете устройства демонстрират надеждна работа при температури до 2 K (-271,15 °C).

При тази температура не е необходима почти никаква топлинна енергия, за да се подпомогне преминаването на електроните в проводящата лента на галиевия оксид.

„Вместо това електроните прескачат през “зоната на примесите„, създадена от силициевите атоми, което позволява на устройството да провежда ток“,

обяснява Лий.

Въпреки че това не са първите електронни устройства, които работят при 2 К, те са първата демонстрация на полупроводник със свръхширока забранена зона, използван за създаване на транзистори и логически инвертори при толкова ниски температури.

„От практическа гледна точка това позволява създаването на компактни криогенни вериги от един материал“,

допълва Ли.

Това потенциално ще опрости електрониката в квантовите компютри.

„Най-големите перспективи са в космоса. Космическите сонди се сблъскват с драматични температурни колебания, така че устройствата, базирани на материали, способни да работят между няколко келвина и стотици келвини, като например галиев бета-оксид, биха могли да намалят необходимостта от обемиста термична защита“, добавя ученият.

Изследователите възнамеряват да използват галиев бета-оксид за създаването на множество други устройства, включително радиочестотни транзистори, фотодетектори и клетки с памет.

„Ние демонстрирахме основните градивни елементи. Сега предизвикателството е да ги разширим, за да създадем сложни криогенни чипове и да разширим границите на производителността в този свръхстуден режим“,

казва Лий.

Всичко важно от света на технологиите, директно в пощата ти.

С абонирането приемате нашите Условия и Политика за поверителност. Може да се отпишете с един клик по всяко време.