Внутри каждого электронного устройства поток электричества контролируется переключателем, который называется транзистором. На протяжении десятилетий эти переключатели изготавливались из кремния. В последнее время инженеры стали использовать нитрид галлия (GaN), который позволяет создавать небольшие и эффективные устройства, например зарядные устройства для смартфонов. Однако при очень высоких напряжениях электрические поля внутри этих транзисторов могут концентрироваться в определенных точках, что приводит к их преждевременному выходу из строя. В результате современные устройства на основе нитрида галлия по-прежнему не могут работать при самых высоких уровнях напряжения, достижимых для кремния.
Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи из Исследовательской лаборатории силовой и широкополосной электроники (PowerLab) Инженерной школы EPFL представили новый класс транзисторов GaN: сверхпереходный с внутренней поляризацией, или iPSJ.
Устройство размером с микросхему, изготовленное из слоев нитрида галлия на недорогой кремниевой подложке, может выдержать напряжение почти в 4 киловольта (кВ), прежде чем выйдет из строя, что является рекордом для данного типа технологии. В то же время оно обладает низким сопротивлением, что помогает снизить потери энергии, которые в противном случае выделялись бы в виде тепла.
Сочетание высоковольтных характеристик и низкого сопротивления необходимо для эффективного преобразования энергии в центрах обработки данных с искусственным интеллектом и системах возобновляемой энергетики. «Мы добились этого, используя уникальный для нитрида галлия эффект естественной поляризации, — объясняет руководитель POWERlab Элисон Матиоли. — Наша работа может привести к созданию надежной и эффективной высоковольтной силовой электроники гораздо более компактных размеров».
Благодаря кристаллической структуре нитрида галлия внутренние электрические силы собирают подвижные электроны в тонкие слои, которые проводят ток. Однако в обычных транзисторах на основе нитрида галлия эти электронные слои являются ахиллесовой пятой: когда устройство выключается, отрицательно заряженные электроны вытесняются с пути прохождения тока, оставляя положительный заряд без соответствующего отрицательного заряда. Этот дисбаланс концентрирует напряжение в одной точке устройства, создавая сильное электрическое поле, которое может привести к пробою.
Исследователи спроектировали слои нитрида галлия в транзисторе таким образом, чтобы второй слой с положительным зарядом естественным образом формировался рядом со слоем электронов, создавая сбалансированные положительные и отрицательные заряды.
Тщательно регулируя толщину материала, ученые добиваются того, чтобы два слоя заряда уравновешивали друг друга по всему устройству. В результате при выключении устройства избыточный заряд не накапливается, что позволяет напряжению равномерно распределяться по длине транзистора, а не накапливаться в опасной концентрации.
Инновационная сбалансированная конструкция позволяет транзистору POWERlab выдерживать напряжение, более чем в пять раз превышающее напряжение коммерческих силовых устройств на основе нитрида галлия, которое составляет около 600–650 В.
В дополнительной работе POWERlab показала, как добавление нескольких проводящих каналов в компоненты силовой электроники распределяет ток, снижая сопротивление и предотвращая перегрев, подобно тому, как увеличение количества полос на шоссе позволяет транспорту двигаться более плавно и предотвращает пробки.