I ricercatori dei Sandia National Laboratories hanno dimostrato che è possibile realizzare transistor e diodi da materiali semiconduttori avanzati che potrebbero funzionare molto meglio del silicio, il cavallo di battaglia del mondo dell'elettronica moderna.

Il lavoro rivoluzionario fa un passo avanti verso un'elettronica di potenza più compatta ed efficiente, che a sua volta potrebbe migliorare tutto, dall'elettronica di consumo alle reti elettriche. L'elettronica di potenza è vitale per i sistemi elettrici perché trasferisce la potenza dalla sua sorgente al carico, o utente, convertendo le tensioni, correnti e frequenze. La ricerca di Sandia è stata pubblicata questa estate in Lettere di fisica applicata e Lettere di elettronica e presentato a convegni.

"L'obiettivo è riuscire a ridurre gli alimentatori, sistemi di conversione di potenza, ", ha affermato l'ingegnere elettrico Bob Kaplar, che guida un progetto di ricerca e sviluppo diretto in laboratorio che studia materiali semiconduttori a banda proibita ultralarga (UWBG). Il progetto esplora modi per far crescere quei materiali con meno difetti e creare diversi design di dispositivi che sfruttano le proprietà di questi nuovi materiali che presentano vantaggi significativi rispetto al silicio.

Il progetto sta gettando le basi scientifiche per la nuova area di ricerca UWBG, rispondere a domande come come si comportano i materiali e come lavorarci. Aiuterà anche il più ampio lavoro di Sandia attraverso sviluppi, come la conversione di potenza compatta utilizzando dispositivi a semiconduttore migliori. "Capire la scienza aiuta a portare a quel secondo obiettivo, " ha detto Kaplar.

Il bandgap è una proprietà fondamentale dei materiali che aiuta a determinare la conduttività elettrica e, in definitiva, le prestazioni dei transistor. I materiali a banda larga (WBG) consentono ai dispositivi di funzionare a tensioni più elevate, frequenze e temperature, e stanno iniziando ad avere un impatto sui sistemi di conversione di potenza. I materiali emergenti con bandgap ultralargo sono ancora più attraenti perché potrebbero consentire un ulteriore ridimensionamento a dispositivi che funzionano a tensioni ancora più elevate, frequenze e temperature. Quando vengono trasformati in transistor, i materiali hanno il potenziale per migliorare notevolmente le prestazioni e l'efficienza delle reti elettriche, veicoli elettrici, alimentatori per computer e motori per cose come il riscaldamento, sistemi di ventilazione e condizionamento dell'aria (HVAC). Una commutazione più rapida potrebbe anche portare a condensatori più piccoli e ai componenti del circuito associati, miniaturizzare l'intero sistema di alimentazione.

Il lavoro dimostra il transistor con il più alto gap di banda

I ricercatori di Sandia hanno dimostrato il transistor con il più alto bandgap di sempre, un transistor ad alta mobilità elettronica, e ha pubblicato tali risultati nell'edizione del 18 luglio di Lettere di fisica applicata . Sandia ha pubblicato articoli a giugno e luglio in Lettere di elettronica analisi delle prestazioni di diodi in nitruro di gallio (GaN) e nitruro di gallio alluminio (AlGaN).

"Tutti e tre questi documenti rappresentano un progresso sulla strada verso convertitori di potenza più compatti e ad alta efficienza, " Ha detto Kaplar. "Sono anche sviluppi molto interessanti nei materiali semiconduttori e nella fisica dei dispositivi a pieno titolo".

Però, ha avvertito che il lavoro non significa che i dispositivi UWBG siano pronti per il mercato.

"Ci sono molti più miglioramenti che devono essere apportati al transistor, " ha detto. "Lo stesso con i diodi. C'è molta più ottimizzazione da fare, molto non capiamo del loro comportamento."

I ricercatori di Sandia e altrove hanno studiato i materiali WBG, come carburo di silicio (SiC) e GaN, per circa due decenni. Negli ultimi anni, Sandia ha anche esaminato i materiali UWBG di prossima generazione, come AlGaN. Infatti, Sandia ha coniato il termine bandgap ultralargo, che ha preso piede in tutta la comunità di ricerca, ha detto Kaplar.

Ricercatori che studiano il modo migliore per coltivare nuovi materiali

Un pezzo fondamentale del puzzle è trovare il modo migliore per coltivare nuovi materiali semiconduttori. I ricercatori devono anche comprendere i difetti dei materiali, come trasformare i materiali in dispositivi funzionanti e trovare modi per migliorare gli elementi passivi, come gli induttori magnetici.

I materiali semiconduttori si caratterizzano per la loro efficienza ed efficacia, quindi è facile presumere che potresti rendere un alimentatore 10 volte più piccolo se un materiale è 10 volte migliore di un altro. Ma non è così semplice. "Dipende da altri componenti nel convertitore di potenza. C'è il magnetismo, ci sono condensatori, " ha detto Kaplar. "Stiamo iniziando a guardare a ciò che è un ridimensionamento più realistico."

Lui ei suoi colleghi collaborano con esperti Sandia in altri campi per comprendere la relazione dei semiconduttori con altri componenti di un sistema. "Il semiconduttore abilita il sistema, ma se hai qualcos'altro che lo limita, allora non puoi raggiungere il pieno potenziale del semiconduttore per ridurre la dimensione della conversione di potenza, " ha detto Kaplar.

Materiali semiconduttori migliori significherebbero tensioni assolute più elevate per usi come la distribuzione dell'energia della rete elettrica. In questo momento è possibile impilare i dispositivi in ​​serie per raggiungere la tensione combinata desiderata. Poiché i materiali UWBG hanno tensioni più elevate rispetto ai materiali più tradizionali, sarebbero necessari molti meno dispositivi nello stack. Kaplar ha affermato che i materiali UWBG potrebbero essere utili anche a temperature estreme o ambienti con radiazioni, applicazioni di interesse per armi nucleari o satelliti.

A causa del potenziale impatto su gran parte del lavoro di Sandia, Kaplar si aspetta che la ricerca UWBG continui dopo che l'attuale progetto si concluderà il prossimo settembre. "Geniamo le basi e poi vogliamo che continui ad avanzare, sia la scienza che le eventuali applicazioni."