Los investigadores de Sandia National Laboratories han demostrado que es posible hacer 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 trabajo innovador da un paso hacia una electrónica de potencia más compacta y eficiente, lo 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 usuario, convirtiendo voltajes, corrientes y frecuencias. La investigación de Sandia se publicó este verano en Letras de física aplicada y Letras de electrónica y presentado en conferencias.

"El objetivo es poder reducir las fuentes de alimentación, 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 con banda prohibida ultra ancha (UWBG). El proyecto explora formas de hacer crecer esos materiales con menos defectos y crear 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 la nueva área de investigación de UWBG, respondiendo preguntas tales 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 de energía compacta mediante el uso de mejores dispositivos semiconductores. "Comprender la ciencia ayuda a alcanzar ese segundo objetivo, "Dijo Kaplar.

Bandgap es una propiedad fundamental de los materiales que ayuda a determinar la conductividad eléctrica y, en última instancia, el rendimiento del transistor. Los materiales de banda ancha ancha (WBG) permiten que los dispositivos funcionen a voltajes más altos, frecuencias y temperaturas, y están comenzando a tener impacto en los sistemas de conversión de energía. Los materiales emergentes de banda prohibida ultraancha son aún más atractivos porque podrían permitir un mayor escalado a dispositivos que operan a voltajes aún más altos. frecuencias y temperaturas. Cuando se convierte en transistores, los materiales tienen el potencial de mejorar enormemente el rendimiento y la eficiencia de las redes de energía eléctrica, vehículos eléctricos, fuentes de alimentación de computadora y motores para cosas como calefacción, sistemas de ventilación y aire acondicionado (HVAC). Una conmutación más rápida también podría conducir a condensadores más pequeños y componentes de circuito 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 alta de la historia, un transistor de alta movilidad de electrones, y publicó esos resultados en la edición del 18 de julio de Letras de física aplicada . Sandia publicó artículos en junio y julio en Letras de electrónica analizando el rendimiento de los diodos fabricados a partir de nitruro de galio (GaN) y nitruro de aluminio y galio (AlGaN).

"Los tres documentos representan un progreso en el camino hacia convertidores de energía 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, Advirtió que el trabajo no significa que los dispositivos UWBG estén listos para el mercado.

"Hay muchas más mejoras que deben realizarse en el transistor, ", dijo." Lo mismo con los diodos. Hay mucha más optimización por hacer, muchas cosas no comprendemos sobre su comportamiento ".

Los investigadores de Sandia y otros lugares han estudiado los materiales de WBG, como carburo de silicio (SiC) y GaN, durante unas dos décadas. En años recientes, Sandia también ha analizado los materiales UWBG de próxima generación, como AlGaN. De hecho, Sandia acuñó el término banda prohibida ultra ancha, que se ha popularizado en toda la comunidad investigadora, Dijo Kaplar.

Investigadores que estudian la mejor forma 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 de los materiales, cómo procesar materiales en dispositivos de trabajo y encontrar formas de mejorar los 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 del convertidor de potencia. Hay magnetismo, hay condensadores, ", Dijo Kaplar." Estamos empezando 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 de un sistema. "El semiconductor habilita el sistema, pero si tienes algo más que lo limite, entonces no puede alcanzar todo el potencial del semiconductor para reducir el tamaño de la conversión de energía, "Dijo Kaplar.

Mejores materiales semiconductores significarían voltajes absolutos más altos para usos como la distribución de energía de la red eléctrica. En este momento, eso se hace apilando dispositivos en serie para alcanzar el voltaje combinado deseado. Dado que los materiales UWBG tienen voltajes más altos que los materiales más tradicionales, se necesitarían muchos menos dispositivos en la pila. Kaplar dijo que los materiales UWBG también podrían ser útiles a temperaturas extremas o entornos 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 finalice el proyecto actual en septiembre próximo. "Ponemos las bases y luego queremos que siga avanzando, tanto la ciencia como las eventuales aplicaciones ".