我们可以送到地狱的收音机

几乎没有亮点在2020年大流行的夏天。其中最令人眼花缭乱的是美国宇航员的飞行国际空间站并安全返回地球SpaceX的商业飞船．这次演示意义重大，原因有很多，其中之一就是它预示了一个未来美国国家航空航天局美国不再需要把人送到近地轨道，可以把目标定得更远。也许远至金星。

兴奋可能的金星任务(现在有些争议)发现磷化氢气体一种可能存在微生物的迹象——在那颗行星的大气中。但是，这颗距离太阳第二远的行星有着如此极端的环境，以至于寿命最长的着陆器，苏联的金星13号，只能发送数据2小时7分钟．金星表面的平均温度是464°C，大气中密集着腐蚀性极强的硫酸液滴，表面的大气压力大约是地球的90倍。然而，科学家们认为金星是我们地球的孪生兄弟。

当然，这两颗行星的大小和质量非常接近。证据也指向了类似的早期:在长达30亿年的时间里，金星可能像我们在地球上一样有巨大的海洋，因此，也许有生命存在。是什么灾难性事件导致金星缺水?行星科学家们很想知道，因为随着气候变化，这可能会影响我们自己的命运。

为了解开这个和金星上的其他谜团，我们需要几个非常有能力的机器人着陆器。但是，我们能否制造出一种机器——配备了仪表、通信、可控性和机动性——能够在如此恶劣的环境中生存，而不仅仅是几个小时，而是几个月甚至几年?

我们可以。材料技术自20世纪60年代以来已经足够先进，当时前苏联开始推出其金星系列号探测器以确保未来着陆器的外壳和机械装置能够持续使用数月。但是那些柔软的电子产品呢?今天的硅基系统在金星条件下无法维持一天。(当然，我们指的是地球日。金星上的一天是243个地球日。)即使增加主动冷却系统，也只能让他们多活24小时。

答案是一种半导体，它结合了两种丰富的元素，碳和硅，以1:1的比例碳化硅．碳化硅可以承受极高的温度，而且仍然工作得很好。科学家们美国宇航局格伦研究中心已经在500°C的条件下运行了一年多的SiC电路，证明它们不仅可以承受高温，而且可以在金星着陆器所需的各种寿命内这样做。

碳化硅已经在太阳能逆变器、电动汽车电机驱动电子设备和先进的智能电网开关设备的电力电子领域崭露头角。但是，制造出可以控制金星上的漫游者并从那里将数据发送到地球的SiC电路，将考验这种材料的极限。如果它成功了，我们将不仅仅是在太阳系最不适宜居住的地方之一获得一个移动前哨站。我们还将深入了解如何将无线传感器移动到地球上以前从未去过的地方——喷气式发动机和天然气涡轮机的叶片亚博排列五投注网站上，深井钻机的头部上，以及大量高温高压工业制造过程中。在这些地方定位电子设备的能力有很大的机会降低设备的操作和维护成本，同时提高工业环境中仪器和人员的性能和安全性。

事实上，我们的团队，成员在KTH皇家理工学院在斯德哥尔摩，以及在阿肯色大学他相信碳化硅电路可以把我们带到更远的地方，应用到我们还没有想象到的领域。

碳化硅无论如何都不是新材料。大规模生产归功于爱德华·古德里奇·艾奇逊在1895年。这位美国化学家试图制造人造钻石时，他的实验产生了碳化硅晶体。这种化合物在1906年首次被成功地用作电子材料亨利·哈里森·蔡斯·邓伍迪发明了碳化硅无线电探测器直到今天，它被认为是第一个商用半导体器件。

然而，以可重复的方式制造大型SiC晶体是出了名的困难，直到20世纪90年代末，工程师们才发明了能够使晶体生长到足以用于制造功率晶体管的设备。这些最初的碳化硅晶圆直径只有30毫米，但该行业已经慢慢发展到50毫米、75毫米、100毫米、150毫米和现在的200毫米晶圆直径，使设备更加经济。在过去的20年里，研究和进步稳步增长，现在可以在商业上购买SiC功率半导体器件。

碳化硅作为半导体材料有一些非常吸引人的特性。第一个特点是其临界电场强度几乎是硅的10倍。这一特性基本上是指材料分解并开始不受控制地导电，有时会导致爆炸。所以如果你有一个相同规模的硅器件和一个碳化硅器件，碳化硅制成的可以处理10倍的电压。或者，如果这两个晶体管能够处理相同的电压，碳化硅器件在物理上就会小得多。这种尺寸差异转化为功耗优势。对于相同的击穿电压(比如1200伏)，SiC晶体管的电阻是硅晶体管的1/200到1/400，因此功耗更低。这种更小的尺寸也允许在功率转换器中实现更高的开关频率，这将意味着更小、更轻、更便宜的电容器和电感。

碳化硅的第二个惊人特性是导热性:当碳化硅因导电而升温时，热量可以迅速转移，从而延长设备的寿命。事实上，在宽禁带半导体， SiC的导热系数仅次于金刚石。这一特性可以让你将大功率碳化硅晶体管连接到与低功率硅组件相同大小的散热器上，并且仍然可以获得功能齐全、使用寿命长的器件。

第三个特性，与金星上的操作最相关，是SiC在室温下载流子的本征浓度非常低。本征载流子浓度与热使多少载流子可用于导电相对应。(在半导体中掺杂其他元素的原子可以增加可用的载流子。但内禀浓度是不掺杂的。)你可能会认为这里的低值，特别是比硅低的值，是一件坏事。但如果我们想在高温下工作就不是这样了。

这是为什么。当温度上升时，硅停止作为半导体工作的原因不是因为它会融化、燃烧或任何剧烈的变化。相反，晶体管开始充满热产生的载流子。热给了一些电子足够的能量，使它们从与原子结合的价带沸腾出来，进入传导带，留下带正电的空穴。分离的电子和空穴现在可以促进传导。在中等温度下，比如250到300°C的硅，这只会使晶体管泄漏电流并变得嘈杂。但在更高的温度下，固有载流子浓度超过了掺杂所提供的贡献，你就不能再关闭晶体管了——它们就像卡在“开”位置的开关一样。

相比之下，碳化硅具有更宽的带隙和更少的固有载流子，在“晶体管泛洪”发生之前有更大的温度净空，使其能够在800°C以上继续切换。

总的来说，这些特性允许SiC在比硅更高的电压、功率和温度下工作。而且，即使在硅能够发挥作用的温度下，SiC的性能也往往优于硅，因为器件可以在更高的频率下以更低的损耗进行切换。把所有这些放在一起，你就有了更高效、更坚固的设备，以及更小、更轻的电路和系统，能够在金星环境中生存。

而未来金星着陆器将需要高压功率晶体管的份额，它的大多数电路——处理器、传感器和无线电——需要低压品种。亚博排列五投注网站碳化硅中这些元素的开发程度远低于硅，但由于包装的问题，我们已经有了一个开始。

随着离散碳化硅功率器件的商业应用，工程师们认识到需要减少电寄生——不需要的电阻、电感和电容，它们会浪费电力。一种方法是通过先进的封装，将控制、驱动和保护电路与功率器件更好地集成在一起。在硅电力电子中，这些电路位于印刷电路板(pcb)上。但在SiC功率晶体管可以达到的更高频率下，PCB的寄生可能太大，导致过多的噪声。将这些电路与功率器件封装甚至集成都可以消除噪声。但后一种选择将意味着用碳化硅制造这些电路。

在室温下，碳化硅并不是低压微电子的天然选择，原因有几个。也许最重要的是电压不能真的那么低，所以功耗也不低。硅的小带隙意味着你可以用低至1v的电压为微电子器件供电。但碳化硅的带隙几乎是它的三倍。因此，推动电流通过晶体管所需的最小电压——阈值电压——也更大。我们通常使用15v来提供我们的“低压”SiC微电子。

世界各地的研究人员已经在SiC中尝试了20多年的低压微电子学，最初的成功有限。然而，在过去的10年里，我们的大学和大学的研究人员克里族，弗劳恩霍夫综合系统和设备技术研究所，普渡大学，美国宇航局格伦，马里兰大学,雷神公司英国取得了一些突破。

随着温度的升高，半导体的固有载流子浓度(具有足够能量促进导电的电子数量)也会升高。达到一定浓度后，晶体管就有效地充满载流子而不会关闭。大多数硅器件在250°C左右时会发生这种情况，但碳化硅器件在1000°C时仍然可以开关。插图:Erik Vrielink

由阿肯色研究小组建造的第一批关键微电子电路之一是门驱动器，它通过输入端子或门直接控制功率晶体管。我们现在已经完成了这种电路的几个版本——可以与电源设备一起封装(甚至放在电源设备的顶部)——并在类似金星的温度下进行测试．这个电路，以及后来的版本，实现了功率设备的高保真控制，最大限度地提高效率，同时最大限度地减少电磁干扰。最大的挑战是实现一种能够适应不断变化的条件的设计，甚至考虑到老化的影响，这是在金星的恶劣条件下必然会发生的。

大门司机这很重要，但从希望探索其他行星的科学家的角度来看，无线电可以说是最重要的系统。毕竟，如果你不能把数据带回地球，那么把一包科学仪器送到另一个星球就没有意义了。

紧凑、坚固的无线电系统可能对未来的行星任务更加重要，因为它们可以在探测车内部携带数据，取代这些机器中数千条点对点电线中的一部分。为了支持无线指挥和控制而消除电线，节省了大量的质量，这是4000万公里航程中至关重要的商品。

我们最近的大部分工作都是设计和测试碳化硅星际无线电收发器的组件。碳化硅不会是任何人的首选，比如说5 g无线在地球上运作。首先，在室温下，它的载流子迁移率(半导体可以放大的频率上限的一部分)比硅低。但在金星表面的温度下，硅不再起作用，所以尝试让碳化硅适应这项任务是有意义的。

在无线电频率方面，碳化硅确实有一个优势。载流子的稀疏性意味着由该材料制成的器件具有低寄生电容。换句话说，周围的电荷很少，所以这些电荷不太可能相互作用，影响设备的性能。

我们的目标收发器结构被称为低中频外差。(在希腊语中，hetero是不同的意思，dyne是力量的意思。)为了解释这意味着什么，让我们通过系统的接收端跟踪一个传入信号。天线发出的无线电信号由一个低噪声放大器增强，然后馈送到一个混频器。混频器将接收到的信号与另一个接近信号载波频率的频率结合在一起。这种混合产生了两个新的中频信号，一个比载波高，一个比载波低。然后用低通滤波器消除较高的频率。剩余的更适合于处理的中间频率被放大，然后由模数转换器进行数字化，该转换器将表示接收信号的结果位传送到数字处理单元。

我们如何实际实现实现所有这些功能的射频电路是由KTH内部开发的碳化硅双极结晶体管(BJT)技术的高频性能决定的。该技术产生了基本的射频电路，需要构建一个收发器来发送和接收59兆赫的信号——在晶体管的高频限制和电路的无源组件的限制之间取得平衡，在较低的频率下，无源组件的限制更大。(这个频率大致在金星登陆器使用的80兆赫的范围内。现代的金星探测任务很可能首先将数据发送到绕金星运行的卫星上，然后利用NASA的深空频率将数据带回地球。)

收发器的一个关键部件是混频器，它将59兆赫的信号下转换为500千赫的中频。的核心我们的搅拌机是碳化硅双极结晶体管，输入信号为59兆赫的射频信号和59.5兆赫的射频信号。来自晶体管集电极端的输出，连接到一个由电容和电阻组成的网络上，这些电容器和电阻都设计成能承受500°c，过滤掉高频，只留下500千赫的中频。

在测试过程中，热流通过碳化硅栅极驱动芯片。图片来源:阿肯色大学

与混合器之后出现的低频模拟和数字电路相比，射频电路在发展的各个阶段都带来了挑战，包括缺乏精确的晶体管模型，匹配阻抗以确保大部分信号通过的问题，以及电阻、电容器、电感和pcb的可靠性。

顺便说一下，那些多氯联苯，跟你以前吃的一点都不像。从手持设备到高端服务器，无处不在的FR-4电路板在金星的条件下会迅速下垂和解体。所以我们用一种叫做低温共烧的陶瓷板来代替。芯片用金线而不是铝线连接在这块坚硬的木板上，铝线很快就会变软。一些镀有钛的银互连线将元件连接到电路中，而不是将铜线从PCB上拉出来。电感器在电路板上制成黄金螺旋形。(是的，这些电路会相当昂贵。)

至关重要的未来的金星探测车需要的远不止这些。到目前为止，在阿肯色大学和KTH之间，我们已经在500°C的条件下设计、建造和测试了大约40种不同的电路。这些电路包括收发器的其他射频和模拟部分，以及许多处理来自收发器和未来行星科学传感器的数据所需的数字电路。亚博排列五投注网站其中一些对许多工程师来说都很熟悉，比如555定时器、8位模数转换器和数模转换器、锁相环电路和布尔逻辑电路库。我们承认，由于这些是大学生产的少量零件，还没有进行长期测试。我们的实验室在高温下最多运行了一两个星期。然而，其他团队的扩展实验鼓舞了我们，并通过这些实验表明我们的电路和设备可以工作更长时间。

值得注意的是，美国宇航局格伦研究中心最近报告了碳化硅ic，与近每块芯片有200个晶体管，运行了整整60天在那个中心金星环境室．实验室内的晶体管承受着9.3兆帕斯卡的压力，460°C的高温，以及火星特殊的腐蚀性大气。这些晶体管没有一个屈服，这表明，如果有更多的时间，它们可以坚持更长的时间。

还有很多工作要做。我们需要专注于整合已经开发的各种电路，并提高工作电路的产量。我们还必须开发更多的电路，并证明它们可以一起工作几个月或几年，并且在金星表面温度下具有所需的稳定性。如果碳化硅收音机和其他低功率电路在商业应用(如喷气机和天然气涡轮机)中有意义的话，最后一点尤其重要。只要有足够的努力和优先考虑，这些可能需要几年，而不是几十年。

碳化硅电路将为未来的金星任务做好准备吗?你可能会更合理地说，没有他们，任务就不会准备好。

本文以“金星的呼唤”为题发表在2021年5月的印刷版上。

这篇文章于2021年5月19日进行了更正，以给出金星表面的适当大气压力。