Учените от Университета за наука и технологии „Крал Абдула“ в Саудитска Арабия са създали електронни устройства, които продължават да функционират безупречно както при екстремен студ, така и при екстремна жега. В прессъобщение от понеделник изследователите заявиха, че техните устройства, изработени от галиев оксид, могат да издържат на температури, вариращи от близо до абсолютната нула до 500 °C. За сравнение, всеки компонент в устройството, на което четете това, вероятно би се повредил при температура под 200 °C.

Устройствата биха могли да имат широко приложение в космическите технологии, където екстремните температурни колебания са норма.

Повечето конвенционални електронни системи, от чипове до сензори и вериги, използват силициеви полупроводници; някои мощни и високочестотни устройства използват галиев нитрид и силициев карбид. За да провеждат електричество, тези материали изискват електроните да имат достатъчно енергия, за да се преместят в наличните проводими зони, където могат да се движат през материала, генерирайки електрически ток.

При изключително ниски температури електроните губят топлинната енергия, необходима за движението им, и остават блокирани — явление, известно като „замръзване“.

Тъй като конвенционалната електроника се държи непредсказуемо при криогенни температури, системите, използвани в среди като дълбокия космос и квантовите изчисления, често изискват специализирана електроника и сложни системи за термично управление, което води до увеличаване на разходите, обема и сложността.

От другата страна на спектъра, с повишаването на температурите, електроните натрупват все по-големи количества топлинна енергия. В конвенционалните полупроводници тази излишна енергия може да възбуди голям брой електрони в проводимата зона по неконтролируем начин, дори когато устройството трябва да остане в „изключено“ състояние. Полученият в резултат на това приток на нежелани носители на заряд води до електрически теч, нестабилно превключване, прегряване и в крайна сметка до повреда на устройството.

За да решат този проблем, изследователите се обърнаха към полупроводника с ултраширока енергийна лента – бета-галиев оксид (β-Ga₂O₃). Ултрашироката му енергийна лента означава, че електроните се възбуждат много по-трудно в проводими състояния, което прави полупроводника значително по-устойчив на електрически течове, нестабилност при високи температури до 500 °C (932 °F) и електрически пробив при екстремни работни условия.

За екстремната студена част от уравнението изследователите прибегнаха т.нар допингиране.

За да преодолеят ефектите от замръзване на носителите, които обикновено парализират полупроводниците при криогенни температури, изследователите силно допираха бета-галиевия оксид с атоми на силиций. В полупроводниковата инженерия допингирането е процесът на умишлено въвеждане на атоми на примеси — в този случай силиций — в материал, за да се промени неговото електрическо поведение и да се осигурят свободни носители на заряд.

Макар че това не са първите електронни устройства, работещи при ултраниски температури, те представляват първата демонстрация на полупроводник с ултраширока енергийна лента, използван в транзистори и логически инвертори, способни да работят при толкова ниски температури.

Ако успеят, тези устройства биха били идеални за космически сонди, спътници и други технологии, които са изложени на екстремни температурни колебания — от абсолютната нула до стотици градуси — в космоса.

Снимка: Unsplash

Виж още: OpenAI се прицелва в смартфон пазара (и вашите данни) със свой мобилен чип