Радио, которое можно отправить в Ад
Иллюстрация NoEmotion: будущий венероход получает энергию из ветров, дующих в плотной атмосфере планеты.
Постановка задачи
За время пандемии 2020 года произошло и несколько положительных событий. Одним из наиболее блестящих стал полет астронавтов США к МКС на борту коммерческого корабля SpaceX и их благополучное возвращение на Землю. Успех этого проекта стал знаменательным по ряду причин, включая то, что возможность подобных полетов способна избавить NASA от необходимости доставки людей на околоземную орбиту, позволив агентству заняться освоением более отдаленных глубин космоса. В данном случае речь может идти даже о Венере.
Восторг по поводу возможной миссии на эту планету был вызван (в последствии ставшим спорным) обнаружением в ее атмосфере фосфинового газа – возможного признака микробной жизни. Но Венера, будучи второй планетой от Солнца, имеет настолько суровые условия среды, что даже самый выносливый советский посадочный модуль «Венера – 13» смог отправлять данные всего 2 часа и 7 минут.
Средняя температура на поверхности планеты составляет 464 °C, атмосфера плотная и насыщена агрессивными каплями серной кислоты, а давление вблизи поверхности примерно в 90 раз выше земного. И все же ученые считают, что Венера является братом-близнецом нашего мира.
Размер и масса этих планет безусловно очень близки. К тому же есть свидетельства, указывающие на сходство их ранних этапов развития: в течении 3 миллиардов лет на Венере могли присутствовать массивные океаны, как на Земле, а значит есть вероятность, что там была жизнь. Какие же катаклизмы могли привести к исчезновению воды на Венере? Планетологи жаждут получить ответ на этот вопрос, так как он может прояснить возможную судьбу и нашей планеты, обусловленную изменениями климата.
С целью разгадать эту и другие загадки Венеры нам понадобится несколько чрезвычайно выносливых посадочных модулей. Но сможем ли мы создать машины — оснащенные инструментарием, средствами связи и при этом управляемые – которые смогут выжить в столь враждебной среде не несколько часов, а в течение месяцев и даже лет?
Средняя температура на поверхности: 464°C
Давление на поверхности: 92 МПа
Состав атмосферы: 96.5% CO2, 3.5% N, 0.015% SO2
Продолжительность дня: 5,832 часов (243 земных дня)
Модуль, проработавший дольше всех: Венера-13, не менее 127 минут
Сможем. Технология материалов существенно продвинулась с 1960-х годов, когда бывший Советский Союз начал отправлять на Венеру серию посадочных модулей. Сегодня она позволяет добиться такой прочности внешней обшивки и механической части модуля, которая обеспечит его работоспособность в течение месяцев. Но как же быть с чувствительной электроникой? Современные кремниевые системы не выдержат и дня в условиях Венеры (речь, конечно же, о земном дне, так как день на Венере составляет 243 земных). Даже применение дополнительных систем охлаждения не продлит их жизнь дольше, чем на 24 часа.
Решение существует
Ответ кроется в полупроводнике, состоящем из двух распространенных элементов – углерода и кремния – которые соединяются в соотношении 1:1, в результате чего получается карбид кремния (SiC). Этот материал способен выдерживать экстремально высокие температуры, сохраняя отличную работоспособность.
Ученые Исследовательского центра NASA им. Джона Гленна уже более года эксплуатируют схемы из карбида кремния при температуре 500 °C, демонстрируя не только их способность переносить экстремальную температуру, но и то, что они смогут работать в таких условиях на протяжении достаточного для посадочного модуля времени.
Карбид кремния уже занимает свое место в мощных электронных системах для солнечных инвертеров, электромобилях и передовых интеллектуальных энергосетях. Создание же SiC-схем, способных управлять ровером на адшафте Венеры и отправлять данные на Землю, позволит протестировать этот материал на предел его возможностей.
Если он выдержит, то мы не просто получим мобильный аванпост в одном из наименее гостеприимных мест солнечной системы. Это позволит ученым понять, как можно помещать беспроводные сенсоры в такие места на Земле, куда ранее их поместить не удавалось – на лопасти реактивных двигателей и турбин, работающих на природном газе; на головки буровых установок для глубоких нефтяных скважин; а также в промышленные устройства, работающие в условиях высоких температур и давления.
Возможность размещать электронику в таких местах имеет все шансы снизить стоимость работы и обслуживания оборудования, в то же время увеличив производительность и безопасность как для самих инструментов, так и для оперирующих в промышленных средах людей.
В действительности наша команда, а также члены Королевского института технологий в Стокгольме и Университета Арканзаса в Фейетвилле верим, что карбидокремниевые схемы позволят реализовать не только эти, но и более продвинутые идеи, которые ранее казались невообразимыми.
Vulcan II. Микрочип со множеством аналоговых и цифровых электросхем из карбида кремния для тестирования при 500°C.
[1] Кольцевой генератор; [2] 8-битные АЦП последовательного приближения и 4-битные линейные АЦП; [3] приемник RS 485; [4] 8-битные сумматоры и 4-битные умножители; [5] таймер 555; [6] 3-ступенчатый операционный усилитель; [7] преобразователь DC-DC; [8] Интегрированные драйверы затворов.
История открытия и особенности материала
Карбид кремния вовсе не является новым открытием. Впервые он был получен Эдвардом Гудричем Ачесоном в 1895 году. Американский химик стремился создать искусственные алмазы, получив в ходе своих экспериментов кристаллы SiC. Впервые это соединение было успешно использовано в 1906 году, когда Генри Харрисон Чейз Данвуди изобрел карбидокремниевый радиолокатор. Это изобретение на сегодня считается первым коммерческим полупроводниковым устройством.
Тем не менее крупные кристаллы SiC достаточно сложно воспроизводить, и только в конце 1990-х инженеры изобрели оборудование, позволяющее выращивать кристаллы, достаточно качественные для использования в силовых транзисторах.
Первые карбидокремниевые пластины были всего 30 миллиметров в диаметре, но с плавным прогрессом индустрии это значение увеличивалось до 50-, 75-, 100-, 150- и на данный момент достигло 200мм, сделав устройства гораздо экономичнее. Прогресс в исследованиях и производстве на сегодня достиг точки, когда полупроводниковые устройства из карбида кремния выходят в коммерческий оборот.
Как полупроводник этот материал отличается рядом очень выгодных свойств. Первым является то, что его критическая напряженность поля практически в 10 раз превышает кремниевую. Это свойство, по сути, определяет точку, в которой материал разрушается и начинает проводить ток бесконтрольно, что иногда даже приводит к взрыву. Если же сравнивать кремниевое и карбидокремниевое устройства одинакового размера, то второе сможет выдержать напряжение в 10 раз выше. При этом, если собирать из этих материалов два транзистора для передачи одинакового напряжения, то размер карбидокремниевого образца получится гораздо меньше.
Эта разница преобразуется в выгоду с позиции энергопотребления. Для одинакового напряжения разрушения (скажем, 1 200В) SiC транзистор в открытом состоянии имеет в 200-400 раз меньшее сопротивление, чем транзистор из кремния, что ведет к меньшим потерям энергии. Меньший размер также дает возможность использовать более высокую частоту переключения в преобразователе напряжения, что позволит использовать миниатюрные, легковесные и менее дорогостоящие конденсаторы и индукторы.
Вторым удивительным свойством карбида кремния является его теплопроводность. По мере нагрева SiC в следствие движения тока тепло можно очень быстро отводить, продлевая тем самым жизнь устройства. На деле среди широкозонных полупроводников теплопроводность карбида кремния идет второй, уступая только алмазу. Это свойство позволяет подключать высокомощный карбидокремниевый транзистор к теплоотводу того же размера, который бы мы использовали для гораздо менее мощного кремниевого компонента, также получая при этом полностью функциональное устройство длительного срока службы.
Третье свойство больше других имеет отношение непосредственно к оперированию на Венере и выражается в очень низкой внутренней концентрации носителей заряда при комнатной температуре. Эта характеристика показывает, сколько носителей заряда становится доступно для передачи электричества в следствие нагрева. (Легирование полупроводника атомами другого элемента может повысить число доступных носителей, внутренняя же концентрация показывает их изначальное количество).
Здесь можно решить, что низкое значение, в частности по отношению к кремнию, является плохим качеством. Но это не так, если наша задача – работать при высоких температурах.
И вот почему. Дело в том, что кремний при возрастании температуры перестает выполнять функцию полупроводника не потому, что расплавляется или воспламеняется и т.п. Вместо этого транзисторы чрезмерно наполняются термически сгенерированными носителями заряда.
Нагрев придает некоторым электронам достаточно энергии для выхода из валентной зоны, где они привязаны к атомам, в зону проводимости, после чего за ними остаются положительно заряженные дыры. Отделенные электроны и дыры теперь принимают участие в проводимости.
При умеренной температуре, предположим 250 – 300°C для кремния, это только вызывает утечку тока из транзистора и делает его шумным. Но при более высоких температурах внутренняя концентрация носителей превышает любую возможную добавку легирования, и вы уже не можете закрыть транзистор, который становится подобен выключателю, заевшему в положении «вкл».
В противоположность этому карбид кремния за счет более широкой запрещенной зоны и меньшего числа внутренних носителей заряда имеет гораздо более высокий температурный порог, при котором происходит его «заклинивание» в положении «постоянного пропускания тока», и будет продолжать успешно выключаться при температурах выше 800 °C.
Все вместе эти свойства позволяют SiC функционировать в условиях более высокого напряжения, мощности и температур по сравнению с кремнием. И даже при допустимых для работы кремния температурах SiC зачастую его превосходит за счет того, что такие транзисторы могут переключаться на более высоких частотах с меньшими потерями. Объедините это воедино, и вы получите более эффективные и надежные устройства, а также электросхемы и системы, которые меньше, легче и способны выжить в среде Венеры.
Важнейший компонент модуля
Любому отправленному на Венеру модулю понадобится радиоприемник для связи с Землей. Одним из основных компонентов такой системы является смеситель. На принимающей стороне он преобразует несущий сигнал 59МГц в частоту 500 КГц, которую легче всего оцифровать и обработать. На передающей же стороне он делает обратное. В сердце цепи смесителя лежит биполярный плоскостный транзистор из карбида кремния, предназначенный для работы при температуре, достигающей 500°C.
Совершенствование технологического решения
Будущему посадочному модулю, конечно, потребуется определенное количество мощных высоковольтных транзисторов, но при этом большая часть его микросхем – процессоры, сенсоры и средства радиосвязи – должны работать при низком напряжении. Эти компоненты гораздо реже создаются из карбида кремния, но благодаря возникшей проблеме упаковывания систем данный вопрос начал решаться.
Поскольку дискретные карбидокремниевые источники питания нашли коммерческое применение, инженеры осознали нужду в уменьшении электрических паразитных факторов – лишнего сопротивления, индукции и емкости, которые приводят к потере энергии. Один из способов – это улучшение интеграции цепей управления, питания и защиты с источниками питания за счет совершенствования корпусов.
В кремниевой силовой электронике эти цепи располагаются на печатных платах. Но на более высоких частотах, которых могут достигать мощные транзисторы, паразитные факторы таких плат становятся излишне сильны, что будет вести к чрезмерному шуму. При этом упаковывание или даже интеграция этих цепей с источниками питания может этот шум устранить. Однако выбор последнего варианта означал бы изготовление этих цепей из карбида кремния.
При комнатной температуре карбид кремния не будет естественным выбором для низковольтной микроэлектроники по ряду причин. Наиболее важной из них является то, что его напряжение не может быть настолько низким, как и энергопотребление. Малая ширина запрещенной энергетической зоны кремния означает, что для питания микроэлектроники достаточно всего 1В. Однако у карбида кремния запрещенная зона примерно втрое шире. Это говорит о том, что минимальное (пороговое) напряжение, необходимое для проведения тока через транзистор, также выше. Как правило, для «низковольтной» микроэлектроники из SiC используется питание 15В.
Исследователи по всему миру экспериментировали с низковольтной карбидокремниевой электроникой более 20 лет, и по началу успех был невелик. На протяжении же последних 10 лет ученые умы как наших, так и других университетов, включая компанию Cree, Институт интегральных схем общества Фраунгофера, Университет Пердью, Центр им. Гленна, Мэрилендский университет и Raytheon UK совершили ряд прорывов.
Иллюстрация, Эрик Врилинк. По мере роста температуры растет и внутренняя концентрация носителей заряда – то есть количество электронов, имеющих достаточно энергии для участия в проводимости. После достижения определенной концентрации транзистор чрезмерно насыщается носителями заряда и выключиться уже не может. Это происходит с большинством кремниевых устройств при температуре около 250°C, при этом карбидокремниевые устройства сохраняют способность отключения вплоть до 1 000°C.
Драйвер затвора
Одной из первых ключевых схем микроэлектроники, созданной командой из Арканзаса, стал драйвер затвора. Он напрямую управляет мощным транзистором через его вход или затвор. На данный момент мы разработали несколько версий такой схемы – которая может упаковываться вместе с (или даже поверх) источника питания – и протестировали их при температурах, характерных для Венеры. Эта схема также, как и более поздние версии, обеспечила высокоточный контроль над устройствами питания, увеличив их эффективность и снизив электромагнитные помехи. Самым сложным было добиться дизайна, который мог бы адаптироваться к изменяющимся условиям и даже учитывать эффекты старения, которые неизбежны в суровых условиях Венеры.
Драйверы затворов важны, но с позиции ученых, рассчитывающих на исследование других планет, наиболее важной системой все-таки является именно радио. В конце концов, нет смысла отправлять набор научных инструментов на далекую планету, если данные на Земле в итоге получить не удастся.
Компактные и надежные радиосистемы могут стать еще более важными в будущих планетарных экспедициях, потому что они способны переносить данные внутри самого венерохода, заменяя некоторые из тысяч двухточечных проводных соединений в этих машинах. Устранение проводов в угоду беспроводным системам управления существенно сокращает общую массу, являющуюся очень важным критерием при путешествии на 40 миллионов километров.
В последнее время мы вложили очень много усилий в проектирование и тестирование компонентов межпланетного приемопередатчика на основе карбида кремния. Этот материал никто бы не выбрал для, скажем, реализации систем 5G на Земле. Одна из причин в том, что при комнатной температуре его способность переносить заряд – часть того, что определяет верхнюю границу частот, которые полупроводник может усиливать – ниже, чем у кремния. Но при температурах поверхности Венеры кремний вообще не сможет функционировать, в связи с чем будет разумным опробовать для этой задачи именно SiC.
Мы разработали, собрали и протестировали 40 разных электросхем для работы при 500°C.
В отношении радиочастот карбид кремния имеет одну положительную особенность. Низкая плотность носителей заряда означает, что устройства, собранные из этого материала, имеют низкие паразитные емкости. Другими словами, в них присутствует мало зарядов, что уменьшает вероятность снижения эффективности устройства по вине их взаимодействия.
Архитектура нужного нам приемопередатчика называется гетеродином с низкой промежуточной частотой. (На греческом гетеро означает другой, а дин — сила).
Чтобы понять смысл сказанного, мы проследим входящий сигнал со стороны приемника. Радиосигналы с антенны усиливаются малошумным усилителем, после чего передаются в смеситель. Смеситель совмещает полученный сигнал с другой частотой, близкой к несущей частоте сигнала. Это смешивание создает сигнал на двух новых промежуточных частотах, одна из которых выше несущей, а вторая ниже. Далее более высокая удаляется фильтром низких частот. При этом оставшаяся промежуточная частота – более подходящая для обработки – усиливается и оцифровывается АЦП, который передает полученные биты, представляющие поступивший сигнал, блоку цифровой обработки.
Способ реализации радиочастотных схем, выполнявших все эти функции, определялся высокочастотными характеристиками технологии карбидокремниевых биполярных полостных транзисторов, разработанной в KTH. Эта технология привела к разработке фундаментальных радиочастотных схем, необходимых для создания трансивера, передающего и получающего сигналы на частоте 59МГц – баланс между верхней границей транзисторов и ограничениями пассивных компонентов схем, которые при снижении частоты увеличиваются.
(Эта частота находится грубо в диапазоне 80МГц, который использовался посадочными модулями для Венеры. Современная же миссия скорее всего будет сначала передавать данные околопланетному спутнику, который затем сможет отправлять их на Землю посредством используемых NASA частот дальнего космоса).
Смеситель
Одной из решающих частей трансивера является смеситель, который выполняет понижающее преобразование сигнала 59МГц до промежуточной частоты 50кГц. Сердцем смесителя выступает карбидокремниевый биполярный полостной транзистор, получающий и входящий радиочастотный сигнал 59МГц и сигнал 59МГц. Выход из коллектора транзистора подключается к сети конденсаторов и резисторов – спроектированных для работы при 500°C – которые отфильтровывают высокую частоту, оставляя только промежуточную, которая равна 500кГц.
Тепло проходит через микросхему карбидокремниевого драйвера затвора в процессе испытания, Университет Арканзаса.
В отличии от низкочастотных аналоговых и цифровых схем, которые идут после смесителя, радиочастотные схемы привносят сложности на всех стадиях разработки, включая отсутствие точных моделей транзисторов, проблемы с сопоставлением сопротивления для обеспечения проходимости большинства сигналов, а также надежность резисторов, конденсаторов, индукторов и печатных плат.
Платы, кстати, выглядят совсем не так, как вы могли бы предположить. Повсеместные платы FR-4, которые лежат в основе всего, начиная от карманных гаджетов и заканчивая передовыми серверами, в условиях Венеры очень быстро пришли бы в негодность. Поэтому мы используем так называемые низкотемпературные керамические платы.
Микросхемы, устанавливаются на их твердую поверхность с помощью золотых, а не алюминиевых проводов, которые бы просто не выдержали температуры. Вместо медных дорожек компоненты объединяются в схему посредством серебряных межсоединений, некоторые из которых покрываются титаном. Индукторы выполняются на плате в виде золотых спиралей. (Да, такие изделия будут недешевы).
Прочие схемы
Помимо очень важного смесителя, будущему роверу потребуется и многое другое. К настоящему времени Университет Арканзаса в сотрудничестве с KTH спроектировал, собрал и протестировал 40 различных схем для работы при 500°C. Эти схемы включают другие радиочастотные и аналоговые части трансивера и множество цифровых схем, необходимых для обработки данных трансивера и будущих планетарных научных сенсоров. Некоторые из них окажутся знакомыми для многих инженеров, например таймер 555, 8-битные АЦП и ЦАП, схема автоматической фазовой подстройки частоты, а также библиотека схем булевой логики.
Мы признаем, что так как эти детали производятся в университете в небольших количествах, их долгосрочное тестирование еще не проводилось. Наши лаборатории проверяли их работоспособность при высокой температуре в течение максимум двух недель. Тем не менее нас воодушевляют расширенные эксперименты других групп ученых, на основе которых мы заключаем, что наши схемы и устройства могут проработать и дольше.
Последние наработки и перспективы
Стоит отметить, что Исследовательский центр им. Гленна недавно сообщил о создании карбидокремниевых интегрированных схем, содержащих по 200 транзисторов каждая, которые проработали 60 дней в камере имитации условий Венеры. В ней они подвергались давлению в 9.3Мпа, температуре 460°C и характерной для планеты едкой атмосфере. Ни один из транзисторов не вышел из строя, из чего можно заключить, что они бы выдержали намного дольше, если бы камера могла обеспечить более длительные испытания.
Впереди еще много работы. Нам нужно сфокусироваться на интегрировании различных только разработанных схем и улучшении выходных характеристик уже имеющихся. Нам по-прежнему нужно продолжать разрабатывать и другие схемы, а также подтверждать возможность их совместного функционирования на протяжении месяцев или лет, сохраняя необходимую стабильность при температурах, соответствующих условиям Венеры. Последний пункт в особенности важен, если радиоустройства из карбида кремния и прочие маломощные схемы когда-то станут интересны для коммерческого применения, например в реактивных и газовых турбинах. При достаточных усилиях и должном уровне внимания для этого могут потребоваться всего лишь годы, а не десятилетия.
Будут ли схемы из карбида кремния готовы к будущей миссии на Венеру? На этот вопрос можно разумно возразить, что скорее миссия не будет готова без них.
Перевод статьи Alan Mantooth, Carl-Mikael Zetterling и Ana Rusu: The Radio We Could Send to Hell
P.S. С Днем Радио, уважаемые читатели!
Изначально эту статью я готовил для аудитории Хабра, где под ником Bright_Translate регулярно публикую различные переводы из мира технологий. К сожалению, на этот раз меня опередил другой переводчик. "Не зря же старался" - подумал я и решил поделиться ей с вами. Уверен, многие найдут ее интересной, тем более, что сегодня эта тема особенно актуальна.