Nanotekniikkaa tehotransistoriin

EPFL-tutkijoiden kehittämä transistori voi vähentää merkittävästi resistanssia ja lämmöntuottoa suuritehoisissa järjestelmissä.

(30.3.2021) Tehomuuntimilla on tärkeä rooli esimerkiksi sähköajoneuvoissa ja aurinkopaneeleissa, mutta niillä on taipumus menettää jopa 20 prosenttia energiastaan sähkönmuunnoksen prosessissaan.

EPFL:ssä kehitetyn uudentyyppisen transistorin ansiosta tulevat tehomuuntimet voivat toimia huomattavasti paremmilla hyötysuhteilla, erityisesti suuritehoisissa sovelluksissa.

EPFL:n täysin uusi transistorisuunnittelu perustuu nanomittaisten rakenteiden käyttöön suurjännitteisissä sovelluksissa?

Muuntimien lämmöntuotto johtuu muun muassa suuresta resistanssista, mikä on suuri ongelma tehoelektroniikkalaitteissa. "Mitä suurempi puolijohdekomponenttien nimellisjännite, sitä suurempi on resistanssi", kertoo EPFL:n POWERlabin johtaja Elison Matioli.

Matioli on yhdessä tohtorikoulutettavan Luca Nelan ja tiiminsä kanssa kehittänyt transistorin, jossa huomattavasti vähemmän resistanssia ja sitä myöten lämmöntuottoa suurtehojärjestelmissä. EPFL:n tekniikka sisältää kaksi keskeistä innovaatiota.

Ensimmäiseen liittyy useiden johtavien kanavien rakentaminen komponenttiin virran jakamiseksi. "Monikanavainen ratkaisu jakaa virran kulkua näin resistanssia ja lämpenemistä vähentäen", Nela sanoo. Toinen innovaatio koskee galliumnitridistä valmistettujen nanojohteita.

POWERlab tutkijat osoittavat, että laajan kaistaeron AlGaN/GaN-nanojohteita, jotka sisältävät useita kaksiulotteisia elektronikaasun kanavia, voidaan käyttää korkean elektronien liikkuvuuden omaavien kolmiporttitransistoreiden luomiseen tehonmuunnossovelluksiin.

Useat kanavat luovat paremman johtavuuden ja kolmesivuista kenttäohjausrakennetta käytetään korkean sähkökentän hallintaan. Näillä eväillä valmistettujen tehopiirien ominaisresistanssin on osoitettu olevan 0,46 mΩ cm−2. Lisäksi se on avauskanavatoiminen ja omaa parannetun dynaamisen käyttäytymisen ja läpilyöntijännitteet ovat jopa 1300 volttia.

"Vinorakenteisilla nanojohteilla rakentamamme prototyyppi toimii kaksinkertaisesti sen mitä alan kirjallisuuden esittämät parhaat GaN-tehopiirit", Matioli kehuu.

Vaikka tekniikka on vielä kokeiluvaiheessa, suurtuotannolle ei näyttäisi olevan mitään suuria esteitä. "Kanavien lisäys on melko triviaali vaihe ja nanojohteidemme läpimitta on kaksi kertaa suurempi kuin Intelin valmistamissa pientehotransistoreissa", Matioli sanoo.

Ryhmä on jättänyt useita patentteja keksinnölleen. Useat suuret valmistajat ovat ilmaisseet kiinnostuksensa tehdä yhteistyötä Matiolin kanssa tämän tekniikan edelleen kehittämiseksi.

Aiheesta aiemmin:

Vauhtia galliumoksidi tehopiirien kaupallistamiselle

Galliumnitridiä suuremmille jännitteille