This post is also available in:
English (אנגלית)
גליום ניטריד (GaN) הפך לחומר מרכזי במערכות מכ"ם, תקשורת ולוחמה אלקטרונית עתירות ביצועים, בזכות יכולתו להתמודד עם הספקי תדר רדיו גבוהים בהרבה מטכנולוגיות מוליכים למחצה ותיקות יותר. אלא שליתרון הזה יש מחיר: ככל שהמהנדסים מעבירים יותר הספק דרך טרנזיסטורי GaN, נוצר חום רב באזורים זעירים במיוחד. אם החום אינו מתפזר במהירות מספקת, הביצועים והאמינות נפגעים.
תוכנית מחקר של DARPA מנסה להסיר את צוואר הבקבוק הזה באמצעות שינוי האופן שבו החום מתפזר בתוך הרכיבים האלקטרוניים עצמם. מעבדת FAST Labs של BAE Systems השלימה את השלב הראשון בתוכנית Technologies for Heat Removal in Electronics at the Device Scale (THREADS) ותמשיך לשלב השני, שבו יפותחו שיטות נוספות לקירור רכיבי RF עתירי הספק ברמת הטרנזיסטור.
הגישה שונה מהוספת גוף קירור גדול יותר או מערכת קירור חיצונית. התוכנית מתמקדת בהפחתת ההתנגדות התרמית בתוך רכיב המוליך למחצה עצמו, שהיא ההתנגדות שמקשה על החום להתרחק מהאזורים החמים ביותר. החוקרים נדרשים לעשות זאת מבלי לפגוע בתכונות החשמליות שמאפשרות לטרנזיסטור לייצר ולהגביר אותות בתדרים גבוהים.
על פי דיווח של Interesting Engineering, האתגר משמעותי במיוחד עבור GaN, מוליך למחצה בעל פער אנרגיה רחב המסוגל לפעול בתדרים גבוהים ובצפיפות הספק גבוהה. החומר כבר נמצא בשימוש בטכנולוגיות כמו מכ"מי מערך סריקה אלקטרוני אקטיבי (AESA), שבהם מספר רב של מודולי שידור וקליטה קטנים מכוונים את אלומת המכ"ם באופן אלקטרוני, ללא צורך בהנעה מכנית של האנטנה.
לפי נתוני התוכנית, השימוש ב־GaN כבר אפשר להגדיל ביותר מפי חמישה את צפיפות ההספק בהשוואה לטכנולוגיות טרנזיסטורים קודמות. היעד הנוכחי הוא להפחית פי שמונה את ההתנגדות התרמית ולהגיע לצפיפות הספק של 81 ואט למילימטר בטרנזיסטורים ובמגברים ניסיוניים הפועלים בתחום תדרי X.
במהלך השלב הראשון השיגו המשתתפים בתוכנית צפיפות הספק RF הגבוהה בערך פי חמישה מזו של הרכיבים המתקדמים הקיימים כיום, תוך שמירה על אמינות הרלוונטית לתנאי הפעלה מבצעיים. לפי התכנית, רמת שיפור כזו מתורגמת באופן תיאורטי לטווח מכ"ם גדול בערך פי שניים.
אין פירוש הדבר שהתקנת טרנזיסטור שפותח במסגרת התוכנית תכפיל באופן אוטומטי את הטווח של כל מכ"ם. מרחק הגילוי תלוי גם בתכנון האנטנה, במאפייני המטרה, בתנאים האטמוספריים ובעיבוד האות. עם זאת, הגדלת הספק ה־RF שניתן לנצל בפועל מעניקה למהנדסים מרחב גדול משמעותית לשיפור ביצועיה של המערכת השלמה.
בתחום הביטחוני, היתרונות עשויים להתרחב הרבה מעבר למכ"ם. רכיבי GaN בעלי הספק גבוה יותר יכולים לתמוך במערכות לוחמה אלקטרונית חזקות יותר ובמערכות תקשורת מתקדמות יותר, מבלי לשלם את המחיר בגודל ובמשקל הכרוך במערכות קירור גדולות. ניהול תרמי משופר עשוי גם לאפשר לפלטפורמות קומפקטיות, ובהן כלי טיס ומערכות בלתי מאוישות, לשאת מערכות RF שבעבר היו מייצרות חום רב מדי.
התוכנית נשענת גם על מחקרים קודמים שבחנו פתרונות כגון טרנזיסטורי GaN-on-Diamond, שבהם מנצלים את המוליכות התרמית הגבוהה של יהלום כדי להרחיק חום מהאזורים הפעילים במוליך למחצה.
בשלב השני ינסו החוקרים לקרב את הטכנולוגיה לרכיבים מעשיים שניתן יהיה לשלב במערכות עתידיות. המטרה הסופית פשוטה: לאפשר לרכיבי GaN לנצל יותר מההספק שהם מסוגלים לייצר, מבלי שהחום יהפוך לגורם שמגביל את ביצועיהם.
