El nuevo transistor sigue funcionando a 600 grados centígrados

Los transistores son los componentes básicos de toda la electrónica. Conmutan y amplifican señales eléctricas, y miles de millones de ellas trabajan juntas en un procesador moderno. Casi todos ellos están hechos de silicio, un material con una debilidad crucial: cuando la temperatura aumenta, los electrones en el cristal ganan tanta energía que fluyen donde en realidad deberían estar bloqueados. El transistor pierde su controlabilidad, las corrientes de fuga aumentan y el componente se vuelve inútil. Esto no importa para los dispositivos cotidianos porque rara vez superan los 100 grados. Es un límite estricto para los viajes espaciales. En Venus, la temperatura de la superficie ronda los 460 grados centígrados, con una presión de unas 90 atmósferas terrestres y una densa capa de dióxido de carbono.

Los aterrizajes hasta ahora muestran las consecuencias. Todas las sondas soviéticas Venera de los años 1970 y 1980 operaron sólo unas pocas horas antes de que fallara la electrónica. Venera 13 tiene el récord de mayor tiempo de supervivencia en la superficie de Venus con 2 horas y 7 minutos. Las sondas protegieron su tecnología informática en cámaras refrigeradas y resistentes a la presión, lo que cuesta masa y, por tanto, costes de puesta en marcha. Desde aproximadamente el cambio de milenio, el carburo de silicio se considera la salida a este callejón sin salida. En este semiconductor compuesto, la distancia energética entre los electrones unidos y los que se mueven libremente es significativamente mayor que en el silicio, por lo que el material sigue funcionando como semiconductor en lugar de como conductor, incluso cuando está al rojo vivo. Sin embargo, la aplicación práctica siguió siendo difícil.

Por qué la capa de óxido es el verdadero problema

El nuevo componente es un transistor de efecto de campo de unión, o JFET para abreviar. En este diseño, la intensidad de un campo eléctrico controla la conductividad de un canal en el semiconductor. La alternativa más extendida, el transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico o MOSFET, se encuentra en teléfonos inteligentes y ordenadores y requiere una capa de óxido extremadamente fina como aislante. Precisamente esta capa es el punto débil ante las altas temperaturas porque envejece, atrapa cargas y genera señales de interferencia. El JFET funciona sin ellos y, por lo tanto, logra inherentemente un menor ruido. El diseño paga el precio en otros lugares: los JFET son más difíciles de reducir, razón por la cual rara vez se utilizan en la producción en masa y se limitan a aplicaciones especiales.

Desde temperatura ambiente hasta 600 grados sin roturas.

Los investigadores diseñaron específicamente el componente para combatir los dos errores típicos de las altas temperaturas: la pérdida de controlabilidad y las corrientes de fuga. En las mediciones, el transistor funcionó normalmente en todo el rango desde temperatura ambiente hasta 1.112 grados Fahrenheit, es decir, 600 grados Celsius. Lo importante no es sólo el valor máximo, sino que el comportamiento se puede predecir en todo el rango. Un circuito cuyas características cambian cuando se calienta no se puede utilizar para la tecnología de medición, incluso si el componente no se destruye. Los autores señalan expresamente que las sondas de aterrizaje anteriores se limitaron a unas pocas horas gracias a la electrónica basada en silicio y clasifican su trabajo como parte del desarrollo de circuitos integrados de baja potencia para las misiones a Venus.

¿Qué sería posible en Venus?

Una sonda cuya electrónica pueda soportar la temperatura ambiente no necesita un recipiente a presión aislado ni refrigeración activa. Esto ahorra masa, y el ahorro se duplica porque una sonda más ligera requiere un cohete más pequeño. En lugar de horas, podrían concebirse series de mediciones a lo largo de días, semanas o estaciones enteras, por ejemplo sobre la velocidad del viento, los cambios de temperatura y la composición química de la atmósfera inferior. Son precisamente estos datos a largo plazo los que faltan por completo para Venus, mientras que para Marte se dispone de series continuas de mediciones a lo largo de años. La limitación es que un solo transistor en funcionamiento no crea un circuito: una sonda requiere memoria, amplificadores, transmisores y cables de conexión que puedan soportar el mismo calor, así como carcasas y puntos de soldadura.

Por qué la tecnología también es necesaria en la Tierra

El mercado mucho más grande para estos componentes no está en el espacio. El carburo de silicio ya se utiliza en la electrónica de potencia de los coches eléctricos, las turbinas eólicas y la tecnología ferroviaria, porque conmuta altas tensiones con bajas pérdidas. Además, la electrónica que puede soportar varios cientos de grados entraría directamente en las turbinas, las cámaras de combustión y la tecnología de perforación profunda, donde hasta ahora se utilizaban sensores complejamente refrigerados o soluciones mecánicas improvisadas. Los sensores que miden directamente en la parte caliente del motor en lugar de hacerlo a una distancia segura, proporcionan señales de control más rápidas y, por tanto, un menor consumo. Sin embargo, el camino desde un componente de laboratorio hasta un producto disponible es largo y de este trabajo no se pueden derivar declaraciones sobre su disponibilidad para la producción en serie o su vida útil a lo largo de muchos años.