Ich las eine Frage zum Kühlen eines Venus-Landers und kam zu dem Schluss, dass das Problem darin bestand, eine Sonde zu bauen, die keine Probleme mit erdähnlichen Temperaturen und Drücken hat, und dann zu versuchen, sie zu isolieren, damit sie lange genug hält, um zuvor nützliche Informationen zurückzusenden an der Hitze sterben.
Warum also nicht Sonden bauen, die von den vorherrschenden Bedingungen nicht beeinflusst werden? Ich habe kürzlich diesen Artikel über Mikroelektronik mit Vakuumröhrentechnologie gelesen.
Es gibt noch andere Einsatzmöglichkeiten für Sonden, die bei hohen Temperaturen und Drücken arbeiten: Sonnentaucher und Sonden in den Gasriesen.
@DavidVomLehn hat Recht . Ich habe gerade die Nachricht von einem kürzlich erschienenen Artikel gelesen: Verlängerter Betrieb integrierter Schaltkreise aus Siliziumkarbid unter atmosphärischen Bedingungen auf der Venusoberfläche . Siehe auch Ars Technicas Wir haben endlich einen Computer, der die Oberfläche der Venus überleben kann . Kleine Schaltkreise wurden auf Halbleiterwafern aus Siliziumkarbid statt Silizium hergestellt und dort über längere Zeiträume getestet, während sie einer venusähnlichen Temperatur von 460 ° C und einem venusähnlichen Druck von 9,4 Mbar (etwa 94 Standardatmosphären) ausgesetzt wurden. .
Die Schaltungen waren Ringoszillatoren , eine Standardteststruktur, die beim IC-Testen verwendet wird. SiC-JFETs wurden verwendet, um Ringe aus NICHT-Gattern (Invertern) zu bauen, die eine ungerade Anzahl von Gattern enthielten; lesen Sie hier mehr . Diese Konfiguration hat keinen natürlich stabilen Zustand, also schwingt sie natürlich. Änderungen in der Wellenform, Amplitude und Frequenz des Oszillators liefern Informationen über Änderungen in der Schaltung, die durch verschiedene Effekte verursacht werden, die sowohl den Siliziumkarbidkristall selbst als auch die implantierten/diffundierten Dotierstoffe, Metallisierungen und Isolatoren betreffen.
SiC kann in mehreren verschiedenen Strukturen kristallisieren, und 4H-SiC wurde wahrscheinlich wegen seiner sehr hohen Bandlücke ausgewählt. Zum Vergleich: Silizium hat nur 1,1 eV. Wenn wir sagen „Raumtemperatur ist 1/40 eV (oder 0,025 eV) ist das das Produkt der Boltzmann-Konstante (etwa 8,62E-05 eV/K) und der Temperatur (20°C oder 293K). Während die hohe Temperatur und der hohe Druck sowie die unangemessene Chemie mehrere mechanische und chemische Angriffe auf den Chip darstellen, hat die Temperatur einen tiefgreifenden Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften des Halbleiters.
Während die Mathematik für dotierte Halbleiterbauelemente komplexer ist, reicht der einfache exponentielle Term aus der Ladungsträgerkonzentration eines intrinsischen Halbleiters aus, um die Bedeutung einer hohen Bandlücke zu zeigen;
Für Silizium mit einer Bandlücke von etwa 1,1 eV beginnt dieser Wert bei etwa bei 293K, steigt aber in die Größenordnung von bei 733K! Es wäre so stark ionisiert (so viele der Siliziumatome hätten Trägerelektronen erzeugt), dass es viel zu leitfähig wäre, um bei Bedarf als Halbleiter oder Beinahe-Isolator zu fungieren.
Andererseits gehen diese Zahlen im Fall von 4H-SiC mit einer Bandlücke von 3,2 eV von erstaunlich niedrig aus bei 293 K (man würde es sich als keramischen oder kristallinen Isolator vorstellen, nicht als Halbleiter) und steigt nur in der Größenordnung von an bei 733K! SiC wäre bei Venustemperaturen ein geeignetes Ausgangshalbleitermaterial, ebenso wie Silizium bei Raumtemperatur. Natürlich könnte die Ladungsträgerkonzentration von intrinsischem SiC durch Dotierung erhöht werden, aber es gibt keine Möglichkeit, sich von einem zu hohen Wert für Silizium auf der Venus zu erholen.
oben: Abbildung 1 aus dem Papier . Vor und nach dem Test unter venusianischen Atmosphärenparametern.
oben: Abbildung 2 aus dem Papier . Der Abfall der Ringoszillatorfrequenz zeigt, dass die JFETs bei erhöhter Temperatur schneller schalten, was ein Effekt ist, der mit dem richtigen Schaltungsdesign toleriert werden kann. Der Signalverlust des 11-Stufen-Oszillators stellte sich als Verbindungsproblem heraus - das Gerät funktionierte weiter, nachdem nach Abschluss der Tests bessere Verbindungen hergestellt werden konnten.
oben: Bandlückenenergie verschiedener Kristallformen von Siliziumkarbid, gegen Temperatur. Von hier .
Neben der Vakuumröhrentechnologie untersucht die NASA Hochtemperatur-Halbleiter zur Verwendung mit Venus-Sonden .
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Antzi
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Howard Miller
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