Los investigadores de Sandia National Laboratories han demostrado que es posible fabricar transistores y diodos a partir de materiales semiconductores avanzados que podrían funcionar mucho mejor que el silicio, el caballo de batalla del mundo de la electrónica moderna.
El innovador trabajo da un paso hacia una electrónica de potencia más compacta y eficiente, que a su vez podría mejorar todo, desde la electrónica de consumo hasta las redes eléctricas. La electrónica de potencia es vital para los sistemas eléctricos porque transfieren energía desde su fuente a la carga, o al usuario,convirtiendo voltajes, corrientes y frecuencias. La investigación de Sandia se publicó este verano en letras de física aplicada y Cartas electrónicas y presentado en conferencias
"El objetivo es poder reducir los suministros de energía, los sistemas de conversión de energía", dijo el ingeniero eléctrico Bob Kaplar, quien dirige un proyecto de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio que estudia materiales semiconductores de banda ancha ultra ancha UWBG. El proyecto explora formas de hacer crecer esosmateriales con menos defectos y crean diferentes diseños de dispositivos que explotan las propiedades de estos nuevos materiales que tienen ventajas significativas sobre el silicio.
El proyecto está sentando las bases científicas para el nuevo área de investigación de UWBG, respondiendo preguntas como cómo se comportan los materiales y cómo trabajar con ellos. También ayudará al trabajo más amplio de Sandia a través de desarrollos, como la conversión compacta de energía mediante el uso de mejores semiconductoresdispositivos ". La comprensión de la ciencia ayuda a conducir hacia ese segundo objetivo", dijo Kaplar.
Bandgap es una propiedad de materiales fundamental que ayuda a determinar la conductividad eléctrica y, en última instancia, el rendimiento del transistor. Los materiales de banda ancha WBG permiten que los dispositivos funcionen a voltajes, frecuencias y temperaturas más altos, y están comenzando a tener impacto en los sistemas de conversión de energía.los materiales son aún más atractivos porque podrían permitir una mayor escala a dispositivos que operan a voltajes, frecuencias y temperaturas aún más altas. Cuando se convierten en transistores, los materiales tienen el potencial de mejorar enormemente el rendimiento y la eficiencia de las redes eléctricas, vehículos eléctricos, computadorasfuentes de alimentación y motores para sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado HVAC. La conmutación más rápida también podría conducir a condensadores más pequeños y componentes de circuitos asociados, miniaturizando todo el sistema de energía.
El trabajo demuestra el transistor de banda prohibida más alta
Los investigadores de Sandia demostraron el transistor de banda prohibida más alto de la historia, un Transistor de alta movilidad de electrones, y publicaron esos resultados en la edición del 18 de julio de letras de física aplicada . Sandia publicó artículos en junio y julio en Cartas electrónicas analizando el rendimiento de diodos hechos de nitruro de galio GaN y nitruro de aluminio y galio AlGaN.
"Estos tres documentos representan un progreso en el camino hacia convertidores de potencia más compactos y de mayor eficiencia", dijo Kaplar. "También son desarrollos muy interesantes en materiales semiconductores y física de dispositivos por derecho propio". Sin embargo, advirtióque el trabajo no significa que los dispositivos UWBG estén listos para el mercado.
"Hay muchas más mejoras que deben hacerse en el transistor", dijo. "Lo mismo con los diodos. Hay mucha más optimización que hacer, mucho que no entendemos acerca de su comportamiento"
Los investigadores de Sandia y de otros lugares han estudiado materiales WBG, como el carburo de silicio SiC y GaN, durante aproximadamente dos décadas. En los últimos años, Sandia también ha examinado los materiales UWBG de próxima generación, como AlGaN. De hecho, Sandiaacuñó el término banda ancha ultra ancha, que se ha popularizado en toda la comunidad de investigación, dijo Kaplar.
Investigadores que estudian la mejor manera de cultivar nuevos materiales
Una pieza fundamental del rompecabezas es descubrir la mejor manera de cultivar nuevos materiales semiconductores. Los investigadores también deben comprender los defectos en los materiales, cómo procesar materiales en dispositivos de trabajo y encontrar formas de mejorar elementos pasivos, como inductores magnéticos.
Los materiales semiconductores se caracterizan por su eficiencia y efectividad, por lo que es fácil suponer que podría hacer una fuente de alimentación 10 veces más pequeña si un material es 10 veces mejor que otro. Pero no es tan simple ". Depende de otros componentes en elconvertidor de potencia. Hay magnetismo, hay condensadores ", dijo Kaplar." Estamos comenzando a ver qué es una escala más realista ".
Él y sus colegas colaboran con expertos de Sandia en otros campos para comprender la relación de los semiconductores con otros componentes en un sistema ". El semiconductor habilita el sistema, pero si tiene algo más que lo limita, entonces no puede alcanzar elEl potencial total de los semiconductores para reducir el tamaño de la conversión de energía ", dijo Kaplar.
Mejores materiales semiconductores significarían voltajes absolutos más altos para usos tales como la distribución de energía de la red eléctrica. En este momento eso se hace apilando dispositivos en serie para alcanzar un voltaje combinado deseado. Dado que los materiales UWBG tienen voltajes más altos que los materiales más tradicionales, muchos menos dispositivos tendríanKaplar dijo que los materiales UWBG también podrían ser útiles a temperaturas extremas o ambientes de radiación, aplicaciones de interés para armas nucleares o satélites.
Debido al impacto potencial en gran parte del trabajo de Sandia, Kaplar espera que la investigación de UWBG continúe después de que el proyecto actual finalice el próximo septiembre. "Ponemos las bases y luego queremos que continúe avanzando, tanto la ciencia como las aplicaciones eventuales"
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorios Nacionales Sandia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencias de revistas :
Cite esta página :