Исследователи представили новый дизайн, который позволил силовым устройствам с нитридом галлия управлять напряжением 1200 вольт. Это уже достаточно для использования в электромобилях, но исследователи полагают, что дальнейшая работа может увеличить ее мощность до диапазона от 3300 до 5000 вольт, чтобы обеспечить эффективность применения нитрида галлия в силовой электронике для электрических сетей.

Силовая электроника, которая применяется для изменения напряжения или преобразования прямой / переменный ток, повсюду. Она в зарядке наших портативных устройств; в аккумуляторных батареях электрических автомобилей; и она в самой энергосистеме, где является промежуточным звеном между высоковольтными линиями электропередач и более низкими напряжениями домашних электрических розеток.

Преобразование мощности по своей сути неэффективно: преобразователь питания никогда не будет выводить столько энергии, сколько потребуется. Но в последнее время преобразователи мощности, изготовленные из нитрида галлия, начали поступать на рынок с более высокой эффективностью и меньшими размерами, чем обычные силиконовые преобразователи мощности. Коммерческие устройства из нитрида галлия не могут обрабатывать напряжения выше 600 вольт и это сильно ограничивает их использование для бытовой электроники.

На этой неделе исследователи из MIT, полупроводниковой компании IQE, Колумбийского университета, IBM и альянса Singapore and MIT Alliance for Research and Technology представили новый проект, в котором в ходе испытаний было использовано устройство из нитрида галлия для управления напряжением 1200 вольт.

 

 

Yuhao Zhang обрабатывает пластину с сотнями вертикальных устройств из нитрида галлия, изготовленных на производственной линии Microsystems Technology Laboratories.

Courtesy of Yuhao Zhang

 

Это уже достаточно для использования в электромобилях, но исследователи подчеркивают, что их устройство является первым прототипом, изготовленным в академической лаборатории. Они полагают, что дальнейшая работа может увеличить его мощность до диапазона от 3300 до 5000 вольт, чтобы обеспечить эффективность применения нитрида галлия в силовой электронике для электрических сетей.

Такой впечатляющий результат связан с тем, что новое устройство использует принципиально иной дизайн от существующей силовой электроники из нитрида галлия.

«Все устройства, которые являются коммерчески доступными, называются боковыми устройствами», - говорит Томас Паласиос, который является профессором электротехники и информатики Массачусетского технологического института, членом Лаборатории технологий Microsystems и первым автором новой статьи. - «Таким образом, все устройство изготовлено на верхней поверхности пластины нитрида галлия, что хорошо для приложений с малой мощностью, таких как зарядное устройство для ноутбука. Но для среднесрочных и мощных приложений вертикальные устройства намного лучше. Ток протекает не через поверхность полупроводника, а через подложку вдоль него. Вертикальные устройства намного лучше с точки зрения того, каким напряжением они могут управлять и сколько тока они контролируют».

«Во-первых, - говорит Паласиос, - ток течет по одной поверхности вертикального устройства, что означает больше места для подключения входных и выходных проводов, что, в свою очередь, обеспечивает более высокие токовые нагрузки. А кроме этого, в обычных устройствах, весь ток течет через очень узкую толщину материала, близкую к поверхности. Мы говорим о толщине всего в 50 нанометров и там генерируется все тепло в этой очень узкой области, поэтому она действительно горячая. В вертикальном устройстве ток протекает по всей пластине, поэтому рассеивание тепла гораздо более равномерное».

 

Хотя их преимущества хорошо известны, вертикальные устройства трудно изготовить из нитрида галлия. Силовая электроника зависит от транзисторов, устройств, в которых заряд, применяемый к «затвору», переключает полупроводниковый материал, такой как кремний или нитрид галлия, между проводящим и непроводящим состоянием. Для того, чтобы это переключение было эффективным, ток, протекающий через полупроводник, должен ограничиваться относительно небольшой площадью, где электрическое поле затвора может оказывать на него влияние. В прошлом исследователи пытались построить вертикальные транзисторы, введя физические барьеры в нитриде галлия, чтобы направлять ток в канал затвора. Но барьеры построены из материала, который является дорогостоящим и трудным в производстве, и его интеграция с окружающим нитридом галлия образом, который не нарушает электронные свойства транзистора, также оказалась сложной задачей.

Паласиос и его сотрудники используют простую, но эффективную альтернативу. Вместо того, чтобы использовать внутренний барьер для направления тока в узкую область более крупного устройства, они просто используют более узкое устройство. Их вертикальные транзисторы из нитрида галлия имеют на вершине лопастные выступы, известные как «плавники». С обеих сторон каждого плавника находятся электрические контакты, которые вместе выступают в качестве затвора. Ток поступает на транзистор через другой контакт, поверх плавника, и выходит через нижнюю часть устройства. Узость ребра гарантирует, что электрод затвора сможет включать и выключать транзистор.

 Исследователи говорят: «Вместо того, чтобы ограничивать ток, имея несколько материалов на одной пластине, давайте ограничимся геометрическим путем, удалив материал из тех областей, где мы не хотим, чтобы ток протекал. Вместо того, чтобы делать сложный зигзагообразный путь для тока в обычных вертикальных транзисторах, давайте полностью изменим геометрию транзистора».

Источник: news.mit.edu/2017/device-makes-power-conversion-more-efficient-1207

 

Энергетика и промышленность России - информационный портал           Научный журнал “Видеонаука          Наука и технологии России − STRF.ru

Другие партнёры сайта