Учените от Университета за наука и технологии „Крал Абдула“ (KAUST) в Саудитска Арабия създадоха електронни устройства на базата на галиев оксид, които работят надеждно в екстремни температурни диапазони – от почти абсолютната нула (-271°C) до +500°C. За сравнение, обикновената електроника, базирана на силиций излиза от строя още при температури над 200°C и под -173°C.

Проблемът с традиционните полупроводници, като силиция се състои в това, че при силно охлаждане електроните губят топлинна енергия и спират да се движат (ефект на „измръзване“), а при нагряване започват хаотично да преминават в проводимо състояние, предизвиквайки утечки на ток и отказ на устройството.

За да решат този проблем, изследователите са използвали полупроводник с ултраширока забранена зона – бета-оксид галий (β-Ga2O3). Неговата структура прави електроните много по-малко чувствителни към топлинно възбуждане, което осигурява стабилна работа при високи температури до +500°C. За работа в условия на екстремен студ материалът е легиран с атоми на силиций. Високата концентрация на примес е създала „примесна зона“, по която електроните могат да „прескачат“ дори при липса на топлинна енергия, което е позволило да се избегне ефектът на измръзване.

Въз основа на този материал учените създадоха два вида устройства: полеви транзистор с ребристи канали (FinFET) и логически инвертор. И двете устройства показаха надеждна работа при температура до 2 Келвина (-271,1°C).

„При такава температура почти няма топлинна енергия, която да помогне на електроните да преминат в зоната на проводимост на галиевия оксид. Вместо това електроните прескачат през „примесната зона“, създадена от атомите на силиция, което позволява на устройството да проводи ток.“

обясни професор Сяохан Ли

Въпреки че това не са първите електронни устройства, работещи при свръхниски температури, те са първата демонстрация на полупроводник с ултраширока забранена зона, използван в транзистори и логически схеми при такива условия. Изследователите планират да създадат на базата на галиев бета-оксид цяло семейство термоустойчиви компоненти: радиочестотни транзистори, фотодетектори и паметни клетки. В случай на успех такива устройства ще бъдат идеални за космически сонди, спътници и друга техника, работеща в условия на температурни колебания от абсолютната нула до стотици градуси.