I många applikationer räcker det inte att använda komponenter som klassats för kommersiella tillämpningar (85°C) eller för militär användning (+125°C). I det av Wallenberg stödda projektet ”Working on Venus” vid KTH har syftet varit att utveckla halvledarkretsar som skall kunna användas för rymdsonder som sänds till Venus för att utforska dess yta. Här ger vi ett sammandrag av Muhammad Waquar Hussains doktorsavhandling.

Fortfarande är planeten Venus en gåta i många avseenden. Venus ligger i en bana närmare solen än jorden. Jorden och Venus är ungefär lika stora och anses vara tvillingplaneter från början. Men deras utveckling skiljer sig. Tidigare studier visar att Venus omges med tjocka moln av koldioxid vilka förhindrar utstrålning av värme. Det gjorde att Venus med tiden blev solsystemets varmaste planet, med en medeltemperatur på 460°C.

Frågan är hur  och när temperaturökningen inleddes. Hade Venus oceaner, och i så fall under hur lång tid? Vilka vulkanaktiviteter har förekommit under de senaste miljarden år?

Redan på 70-talet försökte ryska forskare ge svar på frågorna genom att sända sonder som landade på Venus. De gav dock bara begränsade data. Orsaken var att elektroniken, byggd på kiselkomponenter, slutade att fungera efter bara några timmar på grund av hettan.

Kiselkarbid tål mer
Kiselkarbid passar för så högra temperaturer som 500°C. KTH har under mer än två årtionden forskat runt halvledarteknik i kiselkarbid, med kristallstrukturen 4H-SiC. Denna har ett större bandgap, 3,2 eV, jämfört med 3,0 eV för 6H-SiC eller 2,4 e V för 3C-SiC (1,12 eV för Si). Det bredare bandgapet leder till att SiC klarar ungefär tio gånger starkare fält än Si och leder värme tre gånger bättre (5,0, jämfört med 1,5 W/(cm·K).
Projektet Working on Venus bygger vidare på KTHs tidigare forskning kring bipolära transistorer (BJT) i 4H-SiC-teknik.

De SiC bipolära transistorer som KTH Myfab har tillverkat karakteriseras först upp till 300°C med avseende på bandbredd vid strömförstärkning 1 (”unity gain”) och för effektförstärkning 1.

Lägre VHF-frekvenser
Mätningarna av en uppsättning bipolära transistorer i SiC visade att det är möjligt att åstadkomma RF-kretsar för frekvenser upp till lägre frekvenser i VHF-bandet.

Efter det implementerades tre fundamentala byggblock för en superheterodynmottagare med hög temperaturtålighet: en mellanfrekvensförstärkare med 500 kHz centerfrekvens, en oscillator och en blandarkrets.

* Den föreslagna mellanfrekvensförstärkaren, med två steg, uppnådde 16 dB förstärkning vid 54,6 MHz och 251 °C. Impedansmätningar visade -7,5 dB respektive -11,2 dB retursignaldämpning på in- respektive utgång. MF-förstärkaren drar maximalt 221 mW. Förstärkaren var från början tänkt för 59 MHz. Förstärkarens kompressionspunkt på utgången, vid -1 dB, är kring 1,4 dBm. Den mättes efter tre timmars drift vid 500 °C omgivningstemperatur.

* Därefter demonstrerades en aktiv blandarkrets för nedblandning av inkommande signal som fungerar vid 500 °C. Förstärkningen, 15 dB vid 25 °C, sjönk till 4,7 dB vid 500 °C.

* Slutligen demonstrerades en oscillator, som bygger på negativ resistans och som testades upp till 400 °C omgivningstemperator. Vid denna temperatur var uteffekten 8,4 dBm över 50 ohms last.

Utöver bipolärtransistorerna i SiC ingick i kretsarna spiralinduktorer, kommersiellt tillgängliga keramiska kondensatorer och tjockfilmsmotstånd. Muhammad Waqars avhandling omfattar därmed även en genomgång av passiva komponenter med avseende på deras lämplighet vid höga temperaturer.

Begränsade RF-prestanda
En av svårigheterna med att bygga en mottagare i kiselkarbidteknik är begränsade radiofrekvensprestanda. I forskarförsöken nådde de bipolära transistorerna den övre gränsfrekvensen f_T = 500 MHz vid 150 °C och f_MAX =270 MHz. En ny uppsättning bipolära transistorer tillverkades med nedskalad bastjocklek och ökad dopning. Det resulterade i som bäst f_T = 2,9 GHz och f_MAX = 1,7 GHz vid 300 °C.

En annan begränsning är brusfaktorn hos en SiC-BJT. Den uppmätta brusfaktorn 20 dB är avsevärt mycket sämre än vad de bästa högtemperaturs HEMT-transistorerna i GaN kan ge!

Det behöver ändå inte innebära ett problem: Mottagaren på Venus yta skall inte ta emot signaler från jorden, utan från satelliter som fungerar som relästationer i banor runt Venus.

Aktiv blandare
Som mottagare valdes en superheterodyn med låg mellanfrekvens. Jämfört med en homodynmottagare kan man då undvika överlagrad likspänning hos utsignalen och att lokaloscillatorns sidbandsbrus får en mindre inverkan.

Superheterodyn med 500 kHz mellanfrekvens.
En första prototyp av blandare byggdes för 59 MHz infrekvens, 59,5 MHz oscillatorfrekvens och 500 kHz mellanfrekvens. Den konstruerades för att kunna arbeta vid 500 °C.

Den aktiva blandaren är byggd med två seriekopplade bipolära SiC-transistorer. Den undre transistorns bas matas med RF-signal (59 MHz), den övre matas med lokaloscillatorsignal. Kollektorsignalen filtreras i ett MF-filter (500 kHz) byggt som ett RC-lågpassfilter.

I en andra prototyp användes flerlagers keramiksubstrat av typen LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) vilket gjorde det möjligt att använda spiralinduktorer för att åstadkomma en kompakt uppbyggnad.

Tre olika oscillatorer
Inom ramarna för projektet byggdes tre olika SiC BJT-bestyckade oscillatorer upp. Med erfarenheter från de två första kunde en tredje oscillator realiseras som fungerade väl upp till 400 °C.

De bipolära transistorerna i SiC tillverkades inom KTH Myfab av doktorander. Uppbyggnaden av radiokretsarna gjordes på ett keramiksubstrat i LTCC-teknik, vilket genomfördes av samarbetspartnern Arkansas University.

Blockschemat visar systemet i SiC där sändare/mottagare ingår.  

Gunnar Lilliesköld
Elektronik i Norden

Elektronik som tål Venus hetta

Filed under: SvenskTeknik, Teknikartiklar