碳化硅射频电路可以抗住金星的火山之热

碳化硅SIC半导体材料 · 2021-05-01

碳化硅射频电路可以抗住金星的火山之热

插图：NoEmotion在艺术家的渲染中，未来的金星漫游者将从行星浓密的大气中吹来的风中获得一些动力。

在2020年夏季新冠病毒泛滥期间，报道的亮点很少。最令人关注的就是美国宇航员飞往国际空间站，以及他们乘坐SpaceX的商用航天器安全返回地球。这次演示之所以意义重大，有许多原因，其中之一就是它暗示着一个未来，即美国国家航空航天局（NASA）摆脱了将人们带入低地球轨道的要求，其目标可能更远。也许远至金星。

在该行星的大气层中发现磷化氢气体（可能是微生物生命的迹象），激发了人们对金星可能执行的任务的兴奋。但是从太阳射出的第二个行星具有如此极端的环境，即寿命最长的着陆器，即苏联维纳拉13号，只能发送2小时7分钟的数据。金星的平均表面温度为464°C，大气中密布着高度腐蚀性的硫酸滴，地表的大气压力约为地球的90倍。然而科学家认为维纳斯是我们家世界的双胞胎。

当然，这两个行星的大小和质量非常接近。证据也指向类似的早期时代：在长达30亿年的时间里，金星可能像我们在地球上一样拥有巨大的海洋，因此也许有生命。哪些灾难性事件导致金星失水？行星科学家很想知道，因为随着气候变化，它可能会影响我们自己的命运。

为了解决这个问题以及维纳斯的其他难题，我们将需要几个功能强大的机器人着陆器。但是，我们是否可以制造出能够在如此恶劣的环境下生存数小时甚至数月至数年的机器，包括仪器，通信，可控性和移动性，一并完成？

照片：JPL-Caltech / NASA

平均表面温度： 464°C

表面压力： 92兆帕

气氛： 96.5％CO 2，3.5％N，0.015％的SO 2

时长： 5,832小时（243地球日）

存活时间最长的着陆器： Venera 13，至少127分钟

我们可以。自从1960年代（前苏联开始向维纳斯发射其Venera系列着陆器）以来，材料技术已经足够先进，以确保未来着陆器的外壳和力学性能能够持续数月之久。但是那些柔软的电子设备呢？今天的基于硅的系统在金星条件下不会持续一天。（当然，我们指的是地球日。金星日为243地球日。）即使添加主动冷却系统也可能不会给它们带来额外的24小时。

答案是一种半导体，它以1：1的比例结合了碳和硅这两种丰富的元素-碳化硅。SiC可以承受极高的温度，并且仍然可以正常工作。美国宇航局格伦研究中心的科学家已经在500°C下运行了SiC电路一年以上，这表明它们不仅可以散热，而且可以在维纳斯着陆器需要的整个使用寿命内进行散热。

碳化硅已经在太阳能逆变器，电动汽车驱动电子设备和先进的智能电网开关设备的电力电子设备中崭露头角。但是，创建能够控制金星地狱的漫游车并将数据从那里发送到地球的SiC电路，将会测试这种材料的极限。如果成功，我们将在太阳系中最不宜居的地点之一获得一个移动哨所。我们还将深入了解如何将无线传感器移动到地球上从未有过的位置-在喷气发动机和天然气涡轮机的叶片上，在深油井钻头上以及在主机内部高温高压工业制造工艺。

实际上，我们的团队以及斯德哥尔摩KTH皇家理工学院和费耶特维尔阿肯色大学的成员，相信碳化硅电路可以带我们到更远的领域，实现我们尚未想到的应用。

Vulcan II是具有多个碳化硅模拟和数字电路的芯片，可在500°C下进行测试。到目前为止，我们已经使用Vulcan II及其前身制造了40多个电路。

图片：阿肯色大学[1]环形振荡器 [2] 8位逐次逼近模数转换器和4位斜坡模数转换器 [3] RS 485接收器 [4] 8位加法器和4位乘法器 [5 ] 555定时器 [6] 3级运算放大器 [7] DC-DC转换器 [8]集成栅极驱动器

碳化硅绝不是一种新材料。1895年，爱德华·古德里奇·艾奇森（Edward Goodrich Acheson）进行了大规模生产。这位美国化学家在实验生产SiC晶体时正试图制造人造钻石。1906年，亨利·哈里森·蔡斯·邓伍德（Henry Harrison Chase Dunwoody）发明了SiC无线电探测器，该化合物首次成功用作电子材料。迄今为止，它被认为是第一款商用半导体器件。

然而，众所周知，大的SiC晶体很难以可重复的方式制造，直到1990年代后期，工程师才发明了能够使晶体生长到足以用于制造功率晶体管的设备。这些最初的碳化硅晶片的宽度仅为30毫米，但该行业已缓慢发展到50、75、100、150和200毫米的晶片直径，从而使设备更加经济。在过去的20年中，研究和开发稳步增长，到现在可以商业购买SiC功率半导体器件的地步。

碳化硅作为半导体材料具有一些非常吸引人的特性。首先是临界电场强度，几乎是硅的十倍。该特性基本上是材料分解并开始不受控制地导电的时间，有时会产生爆炸性结果。因此，如果您具有相同规模的硅器件和碳化硅器件，那么由碳化硅制成的硅器件可以承受10倍的电压。替代地，如果两个晶体管被构建为处理相同的电压，则碳化硅器件在物理上可以小得多。尺寸差异转化为功耗优势。对于相同的“击穿电压”（例如1200伏），SiC晶体管的电阻是硅晶体管的“导通”电阻的1/200至1/400，因此功耗更低。

碳化硅的第二个令人惊奇的属性是导热性：随着SiC由于导电而变热，热量可以迅速消除，从而延长了设备的使用寿命。实际上，在宽带隙半导体中，SiC的热导率仅次于金刚石。此属性使您可以将大功率的碳化硅晶体管连接到与在低得多的功率的硅组件上使用的相同尺寸的散热器上，并且仍然可以获得功能齐全，经久耐用的设备。

从希望探索其他行星的科学家的角度来看，无线电无疑是最重要的系统。

与在金星上运行最相关的第三个特性是，SiC在室温下的电荷载流子固有浓度非常低。固有载流子浓度对应于多少电荷载流子热量可用来传导电。（用另一种元素的原子掺杂半导体可以增加可用的电荷载流子。但是本征浓度就是不掺杂的情况。）您可能会认为这里的低值，特别是低于硅的值，将是一件坏事。但是，如果我们要在高温下运行，情况并非如此。

这就是为什么。当温度上升时，硅停止作为半导体工作的原因不是因为硅熔化，燃烧或任何剧烈的变化。取而代之的是，晶体管开始被热产生的电荷载流子淹没。热量给一些电子提供了足够的能量，使其沸腾出价带并与原子结合，并进入导带，从而留下带正电的空穴。分离的电子和空穴现在可以有助于传导。在中等温度下（例如硅的250至300°C），这只会使晶体管泄漏电流并变得嘈杂。但是在更高的温度下，本征载流子浓度超过了掺杂提供的任何贡献，您无法再关断晶体管，它们变得像开关一样被卡在“导通”位置。

相比之下，具有更宽的带隙和更少的固有电荷载流子的SiC在“晶体管泛洪”发生之前具有更高的温度上升空间，从而使其能够继续在800°C以上继续转换。

总的来说，这些特性使SiC可以在比硅更高的电压，功率和温度下发挥作用。而且，即使在硅能够工作的温度下，SiC也会经常胜过它，因为可以在较高的频率下以较低的损耗切换器件。放在一起，您将拥有更高效，更坚固的设备，以及更小，更轻，可以在金星环境中生存的电路和系统。

关键组件

任何金星着陆器都需要一个RF收发器来与地球通信。该系统最重要的组成部分之一是混音器。在接收端，它将59兆赫的载波信号转换为更易于数字化和处理的500赫兹频率。在发送端，它执行相反的操作。混频器电路的核心是碳化硅双极结型晶体管，设计用于高达500°C的工作温度。

图片：KTH皇家技术学院

尽管未来的金星着陆器将需要高压功率晶体管的份额，但其大多数电路（处理器，传感器和无线电设备中的）必须具有低压特性。与碳化硅相比，它们在碳化硅中的开发要少得多，但是由于包装方面的问题，我们已经开始了。

随着分立式碳化硅功率器件的商业化应用，工程师们认识到有必要减少电气寄生效应-不必要的电阻，电感和电容，这会浪费功率。一种方法是通过高级封装更好地将控制，驱动和保护电路与功率设备集成在一起。在硅功率电子设备中，这些电路位于印刷电路板（PCB）上。但是在更高频率的SiC功率晶体管可以实现的情况下，PCB的寄生效应可能太大，从而导致过多的噪声。将这些电路与电源设备进行封装甚至集成会消除噪声。但是后一种选择将意味着用碳化硅制成这些电路。

在室温下，出于多种原因，碳化硅不是低压微电子产品的自然选择。也许最重要的是电压不能真的那么低，功耗也是如此。硅的小带隙意味着您可以以低至1 V的功率为微电子设备供电。但是碳化硅的带隙几乎是其三倍。因此，推动电流流过晶体管所需的最小电压（阈值电压）也更大。我们通常使用15 V电压为我们的“低压” SiC微电子产品供电。

全世界的研究人员在SiC中尝试低压微电子技术已有20多年的历史了，最初取得的成功有限。但是，在过去的10年中，我们大学以及Cree，Fraunhofe集成系统和设备技术研究所，普渡大学，NASA Glenn，马里兰大学和英国雷神公司的研究人员取得了一些突破。

插图：Erik Vrielink随着温度的升高，半导体的本征载流子浓度（具有足够能量以有助于传导的电子数量）也随之增加。达到一定浓度后，晶体管将被有效的电荷载流子淹没，并且不会关断。大多数硅器件在约250°C时都会发生这种情况，但碳化硅器件仍可以在1,000°C时切换。

阿肯色州团队构建的第一批关键微电子电路之一是栅极驱动器，该驱动器通过其输入端子或栅极直接控制功率晶体管。现在，我们已经完成了电路的几种版本，可以与功率器件一起包装（甚至可以封装在功率器件的顶部），并在类似金星的温度下对其进行测试。该电路以及以后的版本可以对功率器件进行非常高保真的控制，从而在最大程度地提高效率的同时将电磁干扰降至最低。最大的挑战是要获得一种能够适应不断变化的条件甚至考虑到老化的影响的设计，而老化的影响必定会在金星的恶劣条件下发生。

门驱动器很重要，但是从希望探索其他行星的科学家的角度来看，无线电无疑是最重要的系统。毕竟，如果您无法将数据送回地球，则没有必要将一揽子科学仪器发送到另一个星球。

紧凑，坚固的无线电系统对于未来的行星飞行任务可能更为重要，因为它们可以在流动站自身内部传送数据，从而取代这些机器中成千上万的点对点电线。取消电线而支持无线命令和控制，可节省大量重量，这是4000万公里行程中的重要商品。

我们最近的大部分工作是对基于碳化硅的行星际无线电收发器的组件进行设计和测试。例如，对于在地球上运行的5G无线电来说，碳化硅将不是没人的首选。一方面，在室温下，其载流子迁移率（是半导体可放大频率上限的一部分）低于硅。但是在金星表面温度下，硅根本不再起作用，因此尝试使碳化硅适应该任务是有意义的。

我们已经针对500°C条件设计，建造和测试了大约40种不同的电路。

关于射频，碳化硅确实有其优势。电荷载流子的稀疏性意味着由这种材料制成的器件具有低寄生电容。换句话说，几乎没有电荷，因此这些电荷不太可能以影响设备性能的方式相互作用。

我们针对的收发器架构称为低中频外差。（在希腊语中，hetero表示不同，而dyne则表示功率。）为了解开含义，让我们跟踪通过系统接收器一侧的传入信号。来自天线的无线电信号由低噪声放大器增强，然后馈入混频器。混频器将接收到的信号与接近信号载波频率的另一个频率合并。这种混合会在两个新的中频处产生一个信号，一个高于载波，一个低于载波。然后通过低通滤波器消除了较高的频率。剩下的中间频率（更适合于处理）被放大，然后由模数转换器数字化，该转换器将代表接收信号的结果位传送到数字处理单元。

在KTH内部开发的碳化硅双极结晶体管（BJT）技术的高频性能决定了我们实际上如何实现执行所有这些功能的RF电路。这项技术导致基本的射频电路需要构建收发器来发送和接收59兆赫兹的信号，这是晶体管的高频极限与电路无源元件的约束之间的平衡，后者在较低的频率上更具限制性。（该频率大约在Venera着陆器使用的80 MHz范围内。现代的Venus任务可能会先将其数据发送到绕地球运行的卫星，然后再使用NASA的深空频率来传输数据。家。）

收发器的一个真正的成败部分是混频器，它可以将59MHz的信号下变频为500kHz的中频。我们混频器的核心是一个SiC双极结型晶体管，输入的59 MHz射频信号和59.5 MHz的信号均作为输入。来自晶体管集电极端子的输出连接到电容器和电阻器的网络（均设计为可承受500°C的温度），该网络可过滤掉高频，仅留下500 kHz的中频。

图片：阿肯色大学在测试过程中，热量流过碳化硅栅极驱动器芯片。

与混频器之后的低频模拟和数字电路相比，RF电路在开发的所有阶段都带来了挑战，包括缺少晶体管的精确模型，匹配阻抗的问题以确保最多的信号通过，以及电阻器，电容器，电感器和PCB的可靠性。

顺便说一下，这些PCB看起来与您以前所用的完全不同。无处不在的FR-4电路板支撑着从手持式设备到高端服务器的所有内容，在金星环境下会迅速下陷并破裂。因此，我们改用所谓的低温共烧陶瓷板。芯片用金线代替铝附着在坚硬的木板上，铝很快会变软。银互连件，其中一些镀有钛，将组件连接到电路中，而不是将铜迹线从PCB上拉走，而不是将其连接到电路中。电感器在板上做成金黄色的螺旋形。（是的，这些电路将非常昂贵。）

至关重要调音台是，未来的金星漫游者将需要的更多。到目前为止，我们已经在阿肯色大学和KTH之间设计，建造并测试了500℃条件下的大约40种不同电路。这些电路包括收发器的其他RF和模拟部分，以及处理来自收发器和未来的行星科学传感器的数据所需的许多数字电路。其中一些对于许多工程师来说是熟悉的，例如555定时器，8位模数转换器和数模转换器，锁相环电路以及布尔逻辑电路库。我们承认，由于这些零件是大学生产的少量零件，因此尚未尝试长期测试。我们的实验室在高温下最多只能进行一两个星期的操作。然而，

值得注意的是，美国宇航局格伦研究中心（NASA Glenn Research Center）最近报告了碳化硅IC，每个芯片具有近200个晶体管，并且在该中心的维纳斯（Venus）环境室内运行了整整60天。该腔室使晶体管承受9.3兆帕的压力，460°C的热量以及行星的特殊苛性气氛。这些晶体管中没有一个被屈服，表明如果可以在腔室中获得更多的时间，它们可能会在更长的时间内投入使用。

还有很多工作要做。我们需要集中精力集成已开发的各种电路，并提高工作电路的成品率。我们仍然必须开发更多的电路，并证明它们可以在金星表面温度下以所需的稳定性一起运行数月或数年。如果碳化硅无线电和其他低功率电路在喷气飞机和天然气涡轮机等商业应用中有意义，那么最后一点尤为重要。如果有足够的努力和优先考虑，这些距离可能要数年而不是数十年。