Onderzoekers van Sandia National Laboratories hebben aangetoond dat het mogelijk is om transistors en diodes te maken van geavanceerde halfgeleidermaterialen die veel beter zouden kunnen presteren dan silicium. het werkpaard van de moderne elektronicawereld.

Het baanbrekende werk zet een stap in de richting van compactere en efficiëntere vermogenselektronica, wat op zijn beurt alles zou kunnen verbeteren, van consumentenelektronica tot elektriciteitsnetten. Vermogenselektronica is van vitaal belang voor elektrische systemen omdat ze vermogen overdragen van de bron naar de belasting, of gebruiker, door spanningen om te zetten, stromen en frequenties. Sandia's onderzoek is deze zomer gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven en Elektronica Brieven en gepresenteerd op conferenties.

"Het doel is om voedingen te kunnen krimpen, stroomconversiesystemen, " zei elektrotechnisch ingenieur Bob Kaplar, die een Laboratory Directed Research and Development-project leidt dat ultrawide bandgap (UWBG) halfgeleidermaterialen bestudeert. Het project onderzoekt manieren om die materialen met minder defecten te laten groeien en verschillende apparaatontwerpen te creëren die gebruikmaken van de eigenschappen van deze nieuwe materialen die aanzienlijke voordelen hebben ten opzichte van silicium.

Het project legt de wetenschappelijke basis voor het nieuwe onderzoeksgebied UWBG, beantwoorden van vragen als hoe de materialen zich gedragen en hoe ermee te werken. Het zal Sandia's bredere werk ook helpen door middel van ontwikkelingen, zoals compacte stroomconversie door betere halfgeleiderapparaten te gebruiken. "Het begrijpen van de wetenschap helpt om naar dat tweede doel te leiden, ' zei Kaplar.

Bandgap is een fundamentele materiaaleigenschap die helpt bij het bepalen van de elektrische geleidbaarheid en uiteindelijk de prestaties van de transistor. Wide bandgap (WBG) materialen zorgen ervoor dat apparaten op hogere spanningen kunnen werken, frequenties en temperaturen, en beginnen invloed te hebben op stroomconversiesystemen. Opkomende materialen met ultrabrede bandgap zijn nog aantrekkelijker omdat ze verder kunnen worden geschaald naar apparaten die op nog hogere spanningen werken, frequenties en temperaturen. Wanneer gemaakt in transistors, de materialen hebben het potentieel om de prestaties en efficiëntie van elektriciteitsnetten enorm te verbeteren, elektrische voertuigen, computervoedingen en motoren voor onder meer verwarming, ventilatie- en airconditioningsystemen (HVAC). Sneller schakelen kan ook leiden tot kleinere condensatoren en bijbehorende circuitcomponenten, miniaturisering van het hele energiesysteem.

Werk demonstreert transistor met de hoogste bandgap

Sandia-onderzoekers demonstreerden de transistor met de hoogste bandgap ooit, een transistor met hoge elektronenmobiliteit, en publiceerde die resultaten in de editie van 18 juli van Technische Natuurkunde Brieven . Sandia publiceerde in juni en juli in Elektronica Brieven analyse van de prestaties van diodes gemaakt van galliumnitride (GaN) en aluminium galliumnitride (AlGaN).

"Alle drie deze documenten vertegenwoordigen vooruitgang op de weg naar compactere en efficiëntere stroomomvormers, "Zei Kaplar. "Ze zijn op zichzelf ook zeer opwindende ontwikkelingen op het gebied van halfgeleidermaterialen en apparaatfysica."

Echter, hij waarschuwde dat het werk niet betekent dat UWBG-apparaten klaar zijn voor de markt.

"Er zijn veel meer verbeteringen die moeten worden aangebracht aan de transistor, "zei hij. "Hetzelfde met de diodes. Er moet nog veel meer worden geoptimaliseerd, veel dat we niet begrijpen over hun gedrag."

Onderzoekers van Sandia en elders hebben WBG-materialen bestudeerd, zoals siliciumcarbide (SiC) en GaN, voor ongeveer twee decennia. In recente jaren, Sandia heeft ook gekeken naar de volgende generatie UWBG-materialen, zoals AlGaN. In feite, Sandia bedacht de term ultrawide bandgap, die de hele onderzoeksgemeenschap heeft aangeslagen, aldus Kaplar.

Onderzoekers bestuderen de beste manier om nieuwe materialen te kweken

Een cruciaal stukje van de puzzel is het uitzoeken van de beste manier om nieuwe halfgeleidermaterialen te kweken. Onderzoekers moeten ook gebreken in de materialen begrijpen, hoe materialen te verwerken tot werkende apparaten en manieren te vinden om passieve elementen te verbeteren, zoals magnetische inductoren.

Halfgeleidermaterialen worden gekenmerkt door hun efficiëntie en effectiviteit, dus het is gemakkelijk om aan te nemen dat je een voeding 10 keer kleiner kunt maken als het ene materiaal 10 keer beter is dan het andere. Maar zo eenvoudig is het niet. "Het hangt af van andere componenten in de stroomomvormer. Er is magnetisme, er zijn condensatoren, "Zei Kaplar. "We beginnen te kijken naar wat een meer realistische schaal is."

Hij en zijn collega's werken samen met Sandia-experts op andere gebieden om de relatie van halfgeleiders met andere componenten in een systeem te begrijpen. "De halfgeleider maakt het systeem mogelijk, maar als je iets anders hebt dat het beperkt, dan kun je niet het volledige potentieel van de halfgeleider bereiken om de grootte van de stroomconversie te verkleinen, ' zei Kaplar.

Betere halfgeleidermaterialen zouden hogere absolute spanningen betekenen voor toepassingen zoals de distributie van energie uit het elektriciteitsnet. Op dit moment wordt dat gedaan door apparaten in serie te stapelen om een ​​gewenste gecombineerde spanning te bereiken. Omdat UWBG-materialen hogere spanningen hebben dan meer traditionele materialen, er zouden veel minder apparaten in de stapel nodig zijn. Kaplar zei dat UWBG-materialen ook nuttig kunnen zijn bij extreme temperaturen of stralingsomgevingen - toepassingen die van belang zijn voor kernwapens of satellieten.

Vanwege de mogelijke impact op zoveel van Sandia's werk, Kaplar verwacht dat het UWBG-onderzoek wordt voortgezet nadat het huidige project in september volgend jaar afloopt. "We leggen de basis en dan willen we dat het verder gaat, zowel de wetenschap als de uiteindelijke toepassingen."