Можно ли построить зонд, который мог бы работать при температуре около 480 ° C (900 градусов по Фаренгейту) без изоляции?

Я прочитал вопрос об охлаждении посадочного модуля Венеры и подумал, что проблема заключалась в создании зонда, у которого нет проблем с земными температурами и давлениями, а затем в попытке изолировать его, чтобы он мог работать достаточно долго, чтобы отправить полезную информацию, прежде чем умирают от жары.

Так почему бы не строить зонды, на которые не влияют преобладающие условия? Недавно я прочитал эту статью о микроэлектронике с использованием технологии электронных ламп.

Есть и другие потенциальные области применения зондов, работающих при высоких температурах и давлениях: ныряльщики к Солнцу и исследования газовых гигантов.

Что было бы плюсом в том, чтобы сделать что-то подобное? Мы умеем делать холодильники, кондиционеры, а также всевозможную электронику и датчики, работающие при более низких температурах. В чем может быть польза от того, что вы начнете сначала? Сможет ли он когда-нибудь снизить затраты на создание всего с нуля?
@uhoh Вы удаляете точку отказа и, возможно, увеличиваете продолжительность миссии, если изоляция не может поддерживаться. Возможно и вес уменьшить.
@Анци здорово! Вы знаете компьютер на электронных лампах, который легче, чем сделанный из кремния? Я полушутя, в мелкомасштабной вакуумной электронике проводились работы, но для логических схем, возможно, лучшим вариантом будет GaN или какой-нибудь полупроводник с очень широкой запрещенной зоной. Я проголосовал за вопрос, как только увидел его - мои комментарии предназначались для того, чтобы предложить способы улучшения вопроса - должны были быть помечены как таковые. Некоторые вопросы в форме «Почему бы им просто не использовать X?» где X не существует, приходится нелегко.
@uhoh, если технология сдержит свои обещания, она может стать легче или похожей на силикон. Однако статья не очень интересна по этому вопросу, поскольку в ней вообще не говорится о термостойкости.
@Antzi Я еще не читал подробностей (следующая поездка в библиотеку), но похоже, что они используют туннелирование в вакууме, но без нагретого эмиттера (без нити накала, холодный катод). Я почти уверен, что то, что там описано, можно настроить (другой катод, больший туннельный зазор) для работы при более высокой температуре, и, конечно, это означает, что это, вероятно, будет работать только при более высокой температуре. Полупроводниковое решение было бы самым простым. Искал "высокотемпературная электроника" например нашел вот это .
Ваш вопрос действительно интересен, и я никогда не слышал о Solar Probe Plus, пока вы его не задали. Удивительные вещи! Я задал другой вопрос об этом.
@uhoh Спасибо за ссылку на страницу высокотемпературной электроники. Я вижу, что происходит больше развития, чем я думал. Кроме того, разве не интересно, что Solar Probe Plus выглядит как кофеварка?
Это оно! Я все время думал, что это мне что-то напоминает, но не мог понять, что. Верно!
С момента написания этого вопроса я узнал, что исследования ведутся именно по этой проблеме. Недавно был создан электронный кольцевой генератор, способный проработать 500 часов в условиях, подобных Венере. Другая группа предложила марсоход, который будет использовать для движения парус, а не мотор. НАСА запускает зонд, который приблизится к Солнцу на расстояние 4 миллионов миль и испытает температуру до 2500F на его обращенной к Солнцу стороне. Таким образом, есть обстоятельства, когда транспортные средства с высокой температурой будут полезны.

Ответы (2)

@DavidVomLehn прав . Я только что прочитал сегодня новость о недавней статье « Продленная работа интегральной схемы на основе карбида кремния в атмосферных условиях на поверхности Венеры » . См. также статью Ars Technica. Наконец-то у нас есть компьютер, способный выжить на поверхности Венеры . Небольшие схемы были изготовлены на полупроводниковых пластинах, сделанных из карбида кремния, а не из кремния, и были испытаны в течение длительных периодов времени, когда они подвергались венерианской температуре 460 ° C и венерианскому давлению 9,4 Мбар (около 94 стандартных атмосфер). .

Схемы представляли собой кольцевые генераторы , стандартную тестовую структуру, используемую при тестировании интегральных схем. SiC JFET использовались для построения колец вентилей НЕ (инверторов), содержащих нечетное количество вентилей; читайте больше здесь . Эта конфигурация не имеет естественно стабильного состояния, поэтому она естественным образом колеблется. Изменения в форме, амплитуде и частоте сигнала генератора дают информацию об изменениях в цепи, которые вызваны несколькими различными эффектами, связанными как с самим кристаллом карбида кремния, так и с имплантированными/рассеянными примесями, металлизацией и изоляторами.

SiC может кристаллизоваться в несколько различных структур, и 4H-SiC, вероятно, был выбран из-за его очень большой ширины запрещенной зоны. Для сравнения, у кремния всего 1,1 эВ. Когда мы говорим, что «комнатная температура составляет 1/40 эВ (или 0,025 эВ), это произведение постоянной Больцмана к Б (около 8,62E-05 эВ/К) и температуры (20°С или 293К). В то время как высокая температура, давление и агрессивная химия наносят несколько механических и химических повреждений чипу, температура оказывает сильное влияние на электронные свойства полупроводника.

В то время как математика для легированных полупроводниковых устройств более сложна, простого экспоненциального члена от концентрации носителей собственного полупроводника достаточно, чтобы показать важность широкой запрещенной зоны;

н с ≈ е − Е б грамм к Б Т

Для кремния с шириной запрещенной зоны около 1,1 эВ это значение начинается примерно с 10 − 19 на 293K, но поднимается до порядка 10 − 8 на 733К! Он был бы настолько сильно ионизирован (так много атомов кремния производило бы электроны-носители), что он был бы слишком проводящим, чтобы при необходимости функционировать как полупроводник или почти изолятор.

С другой стороны, в случае 4H-SiC с шириной запрещенной зоны 3,2 эВ эти цифры начинаются с удивительно низких 10 − 55 при 293 К (вы бы подумали об этом как о керамическом или кристаллическом изоляторе, а не о полупроводнике) и поднимается только до порядка 10 − 22 на 733К! SiC при температуре Венеры был бы подходящим исходным полупроводниковым материалом так же, как кремний был бы при комнатной температуре. Конечно, концентрацию носителей собственного SiC можно было бы увеличить путем легирования, но нет никакого способа восстановиться после слишком высокого значения для кремния на Венере.

введите описание изображения здесь

выше: Рисунок 1 из статьи . До и после испытаний в условиях атмосферы Венеры.

Кольцевые генераторы из карбида кремния

выше: Рисунок 2 из статьи . Падение частоты кольцевого генератора показывает, что JFET переключаются быстрее при повышенной температуре, что является эффектом, который можно допустить при правильной конструкции схемы. Было обнаружено, что потеря сигнала от 11-ступенчатого генератора связана с проблемой соединения - устройство продолжало работать, как только после завершения тестирования можно было установить более качественные соединения.

Зазоры в различных формах карбида кремния

выше: энергия запрещенной зоны различных кристаллических форм карбида кремния в зависимости от температуры. Отсюда . _

В дополнение к технологии электронных ламп НАСА изучает высокотемпературные полупроводники для использования с зондами Венеры .

Я прочитал статью. Думаю, неудивительно, что я на несколько ударов отстаю от людей, которые на самом деле работают над подобными вещами. Спасибо за информацию.
Можно ли построить зонд, который мог бы работать при температуре около 480 ° C (900 градусов по Фаренгейту) без изоляции?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v