Transistorer og dioder fremstillet af avancerede halvledermaterialer kunne yde meget bedre end silicium

Sandia National Laboratories forskere har vist, at det er muligt at lave transistorer og dioder af avancerede halvledermaterialer, der kunne yde meget bedre end silicium, arbejdshesten i den moderne elektronikverden.

Gennembrudsarbejdet tager et skridt mod mere kompakt og effektiv strømelektronik, hvilket igen kunne forbedre alt fra forbrugerelektronik til elektriske net. Strømelektronik er afgørende for elektriske systemer, fordi de overfører strøm fra kilden til belastningen, eller bruger, ved at konvertere spændinger, strømme og frekvenser. Sandias forskning blev offentliggjort denne sommer i Anvendt fysik bogstaver og Elektroniske breve og præsenteret på konferencer.

"Målet er at kunne skrumpe strømforsyninger, strømkonvertering systemer, "sagde elektroingeniør Bob Kaplar, som leder et laboratorieorienteret forsknings- og udviklingsprojekt, der studerer ultralette bandgap (UWBG) halvledermaterialer. Projektet undersøger måder at dyrke disse materialer med færre fejl og skabe forskellige enhedsdesign, der udnytter egenskaberne af disse nye materialer, der har betydelige fordele i forhold til silicium.

Projektet lægger det videnskabelige grundlag for det nye UWBG -forskningsområde, besvare spørgsmål som hvordan materialerne opfører sig og hvordan man arbejder med dem. Det vil også hjælpe Sandias bredere arbejde gennem udviklingen, såsom kompakt strømkonvertering ved at bruge bedre halvlederenheder. "At forstå videnskaben hjælper med at føre mod det andet mål, "Sagde Kaplar.

Bandgap er en grundlæggende materialegenskab, der hjælper med at bestemme elektrisk ledningsevne og i sidste ende transistorydelse. Wide bandgap (WBG) materialer gør det muligt for enheder at fungere ved højere spændinger, frekvenser og temperaturer, og er begyndt at have indflydelse på strømkonverteringssystemer. Fremvoksende ultrawide båndgapmaterialer er endnu mere attraktive, fordi de kan tillade yderligere skalering til enheder, der fungerer ved endnu højere spændinger, frekvenser og temperaturer. Når de laves om til transistorer, materialerne har potentiale til at forbedre ydeevnen og effektiviteten af ​​elektriske net, elektriske køretøjer, computer strømforsyninger og motorer til f.eks. opvarmning, ventilation og klimaanlæg (HVAC) systemer. Hurtigere omstilling kan også føre til mindre kondensatorer og tilhørende kredsløbskomponenter, miniaturisering af hele elsystemet.

Arbejde viser transistor med den højeste båndgap

Sandia-forskere demonstrerede den højeste båndgap-transistor nogensinde, en transistor med høj elektronmobilitet, og offentliggjorde disse resultater i 18. juli -udgaven af Anvendt fysik bogstaver . Sandia udgav artikler i juni og juli i Elektroniske breve analysere ydelsen af ​​dioder fremstillet af galliumnitrid (GaN) og aluminiumgalliumnitrid (AlGaN).

"Alle tre af disse papirer repræsenterer fremskridt på vejen til mere kompakte og effektivere effektomformere, "Kaplar sagde." De er også meget spændende udvikling inden for halvledermaterialer og enhedens fysik i sig selv. "

Imidlertid, han advarede om, at arbejdet ikke betyder, at UWBG -enheder er klar til markedspladsen.

"Der er mange flere forbedringer, der skal foretages på transistoren, "sagde han." Det samme med dioderne. Der skal meget mere optimering til, meget forstår vi ikke om deres adfærd. "

Forskere ved Sandia og andre steder har undersøgt WBG -materialer, såsom siliciumcarbid (SiC) og GaN, i cirka to årtier. I de seneste år, Sandia har også set på næste generations UWBG-materialer, såsom AlGaN. Faktisk, Sandia opfandt udtrykket ultrabred bandgap, som har fanget hele forskningsmiljøet, Sagde Kaplar.

Forskere studerer den bedste måde at dyrke nye materialer på

En kritisk brik i puslespillet er at finde ud af den bedste måde at dyrke nye halvledermaterialer på. Forskere skal også forstå defekter i materialerne, hvordan man behandler materialer til arbejdsenheder og finder måder at forbedre passive elementer på, såsom magnetiske induktorer.

Halvledermaterialer er kendetegnet ved deres effektivitet og effektivitet, så det er let at antage, at du kunne lave en strømforsyning 10 gange mindre, hvis et materiale er 10 gange bedre end et andet. Men det er ikke så enkelt. "Det afhænger af andre komponenter i strømomformeren. Der er magnetik, der er kondensatorer, "Kaplar sagde." Vi begynder at se på, hvad der er en mere realistisk skalering. "

Han og hans kolleger samarbejder med Sandia -eksperter på andre områder for at forstå forholdet mellem halvledere og andre komponenter i et system. "Halvlederen muliggør systemet, men hvis du har noget andet, der begrænser det, så kan du ikke nå halvlederens fulde potentiale for at skrumpe størrelsen af ​​strømkonvertering, "Sagde Kaplar.

Bedre halvledermaterialer ville betyde højere absolutte spændinger til sådanne anvendelser som distribution af elnettet. Lige nu gøres det ved at stable enheder i serie for at nå en ønsket kombineret spænding. Da UWBG -materialer har højere spændinger end mere traditionelle materialer, langt færre enheder ville være nødvendige i stakken. Kaplar sagde, at UWBG -materialer også kunne være nyttige ved ekstreme temperaturer eller strålingsmiljøer - anvendelser af interesse for atomvåben eller satellitter.

På grund af den potentielle indvirkning på så meget af Sandias arbejde, Kaplar forventer, at UWBG -forskning fortsætter, efter at det nuværende projekt slutter i september næste år. "Vi lægger fundamentet, og så vil vi have det til at fortsætte med at gå fremad, både videnskaben og de endelige anvendelser. "