La electrónica de potencia, que hace cosas como modificar voltajes o convertir entre corriente directa y alterna, está en todas partes. Están en los bloques de alimentación que usamos para cargar nuestros dispositivos portátiles; están en las baterías de los autos eléctricos; yestán en la red eléctrica en sí, donde median entre las líneas de transmisión de alto voltaje y los voltajes más bajos de los enchufes eléctricos domésticos.
La conversión de potencia es intrínsecamente ineficiente: un convertidor de potencia nunca generará tanta potencia como la que necesita. Pero recientemente, los convertidores de potencia hechos de nitruro de galio han comenzado a llegar al mercado, con mayores eficiencias y tamaños más pequeños que el silicio convencional.convertidores de potencia basados.
Sin embargo, los dispositivos de alimentación comerciales de nitruro de galio no pueden manejar voltajes superiores a unos 600 voltios, lo que limita su uso a la electrónica doméstica.
En la Reunión Internacional de Dispositivos Electrónicos de Electrónicos del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos de esta semana, investigadores del MIT, la compañía de semiconductores IQE, la Universidad de Columbia, IBM y la Alianza Singapur-MIT para Investigación y Tecnología, presentaron un nuevo diseño que, en pruebas, habilitó dispositivos de alimentación de nitruro de galio para manejar voltajes de 1,200 voltios.
Eso ya es suficiente capacidad para su uso en vehículos eléctricos, pero los investigadores enfatizan que su dispositivo es un primer prototipo fabricado en un laboratorio académico. Creen que el trabajo adicional puede aumentar su capacidad al rango de 3,300 a 5,000 voltios, parallevar la eficiencia del nitruro de galio a la electrónica de potencia en la propia red eléctrica.
Esto se debe a que el nuevo dispositivo usa un diseño fundamentalmente diferente de la electrónica de potencia de nitruro de galio existente.
"Todos los dispositivos que están disponibles comercialmente son los llamados dispositivos laterales", dice Tomás Palacios, profesor de ingeniería eléctrica e informática del MIT, miembro de los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas y autor principal del nuevo artículo."Por lo tanto, todo el dispositivo está fabricado en la superficie superior de la oblea de nitruro de galio, lo cual es bueno para aplicaciones de baja potencia como el cargador de computadora portátil. Pero para aplicaciones de potencia media y alta, los dispositivos verticales son mucho mejores. Estos son dispositivos dondela corriente, en lugar de fluir a través de la superficie del semiconductor, fluye a través de la oblea, a través del semiconductor. Los dispositivos verticales son mucho mejores en términos de cuánto voltaje pueden manejar y cuánta corriente controlan ".
En primer lugar, explica Palacios, la corriente fluye hacia una superficie de un dispositivo vertical y sale por la otra. Eso significa que simplemente hay más espacio para conectar los cables de entrada y salida, lo que permite mayores cargas de corriente.
Por otro lado, dice Palacios, "cuando tienes dispositivos laterales, toda la corriente fluye a través de una losa muy estrecha de material cerca de la superficie. Estamos hablando de una losa de material que podría tener solo 50 nanómetros de espesor. Así que todola corriente pasa por allí, y todo el calor se genera en esa región muy estrecha, por lo que se calienta mucho, mucho calor. En un dispositivo vertical, la corriente fluye a través de toda la oblea, por lo que la disipación de calor es mucho más uniforme"
Estrechando el campo
Aunque sus ventajas son bien conocidas, los dispositivos verticales han sido difíciles de fabricar en nitruro de galio. La electrónica de potencia depende de los transistores, dispositivos en los que una carga aplicada a una "puerta" conmuta un material semiconductor, como el silicio o el nitruro de galio- entre un estado conductivo y uno no conductivo.
Para que esa conmutación sea eficiente, la corriente que fluye a través del semiconductor debe limitarse a un área relativamente pequeña, donde el campo eléctrico de la puerta puede ejercer influencia sobre ella. En el pasado, los investigadores habían intentado construir transistores verticales incrustadosbarreras físicas en el nitruro de galio para dirigir la corriente hacia un canal debajo de la puerta.
Pero las barreras están construidas con un material temperamental que es costoso y difícil de producir, e integrarlo con el nitruro de galio circundante de una manera que no interrumpa las propiedades electrónicas del transistor también ha resultado ser un desafío.
Palacios y sus colaboradores adoptan una alternativa simple pero efectiva. El equipo incluye a los primeros autores Yuhao Zhang, un postdoctorado en el laboratorio de Palacios, y Min Sun, quien recibió su doctorado MIT en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática EECS la primavera pasada; Daniel Piedra y Yuxuan Lin, estudiantes graduados del MIT en EECS; Jie Hu, un postdoctorado en el grupo de Palacios; Zhihong Liu de la Alianza Singapur-MIT para Investigación y Tecnología; Xiang Gao de IQE; y Ken Shepard de Columbia.
En lugar de usar una barrera interna para dirigir la corriente hacia una región estrecha de un dispositivo más grande, simplemente usan un dispositivo más estrecho. Sus transistores verticales de nitruro de galio tienen protuberancias en forma de cuchilla en la parte superior, conocidas como "aletas". A ambos lados de cada aletason contactos eléctricos que juntos actúan como una compuerta. La corriente ingresa al transistor a través de otro contacto, en la parte superior de la aleta, y sale por la parte inferior del dispositivo. La estrechez de la aleta asegura que el electrodo de la compuerta pueda cambiar el transistorencendido y apagado.
"Creo que la brillante idea de Yuhao y Min era decir: 'En lugar de limitar la corriente al tener múltiples materiales en la misma oblea, confinémosla geométricamente eliminando el material de aquellas regiones donde no queremos la corrientefluir ", dice Palacios." En lugar de hacer el complicado camino en zigzag de la corriente en los transistores verticales convencionales, cambiemos completamente la geometría del transistor ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Larry Hardesty. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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