Pesquisadores do Sandia National Laboratories mostraram que é possível fazer transistores e diodos de materiais semicondutores avançados que poderiam ter um desempenho muito melhor do que o silício, o burro de carga do mundo eletrônico moderno.

O trabalho inovador dá um passo em direção a uma eletrônica de potência mais compacta e eficiente, o que, por sua vez, poderia melhorar tudo, de eletrônicos de consumo a redes elétricas. Eletrônica de potência é vital para sistemas elétricos porque transferem energia de sua fonte para a carga, ou usuário, convertendo tensões, correntes e frequências. A pesquisa de Sandia foi publicada neste verão em Cartas de Física Aplicada e Cartas Eletrônicas e apresentado em conferências.

"O objetivo é ser capaz de reduzir as fontes de alimentação, sistemas de conversão de energia, "disse o engenheiro elétrico Bob Kaplar, que lidera um projeto de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório que estuda materiais semicondutores ultrawide bandgap (UWBG). O projeto explora maneiras de cultivar esses materiais com menos defeitos e criar diferentes designs de dispositivos que exploram as propriedades desses novos materiais que apresentam vantagens significativas sobre o silício.

O projeto está lançando as bases científicas para a nova área de pesquisa UWBG, responder a perguntas sobre como os materiais se comportam e como trabalhar com eles. Também ajudará no trabalho mais amplo de Sandia por meio de desenvolvimentos, como a conversão de energia compacta usando melhores dispositivos semicondutores. "Compreender a ciência ajuda a nos levar a esse segundo objetivo, "Kaplar disse.

Bandgap é uma propriedade fundamental dos materiais que ajuda a determinar a condutividade elétrica e, por fim, o desempenho do transistor. Materiais de largura de banda larga (WBG) permitem que os dispositivos operem em tensões mais altas, frequências e temperaturas, e estão começando a ter impacto nos sistemas de conversão de energia. Os materiais de bandgap ultralargos emergentes são ainda mais atraentes porque podem permitir um dimensionamento adicional para dispositivos que operam em tensões ainda mais altas, frequências e temperaturas. Quando transformados em transistores, os materiais têm o potencial de melhorar muito o desempenho e a eficiência das redes de energia elétrica, Veículos elétricos, fontes de alimentação e motores de computador para coisas como aquecimento, sistemas de ventilação e ar condicionado (HVAC). A comutação mais rápida também pode levar a capacitores menores e componentes de circuito associados, miniaturizar todo o sistema de energia.

Trabalho demonstra transistor de maior bandgap

Os pesquisadores da Sandia demonstraram o transistor de maior bandgap de todos os tempos, um transistor de alta mobilidade de elétrons, e publicou esses resultados na edição de 18 de julho de Cartas de Física Aplicada . Sandia publicou artigos em junho e julho em Cartas Eletrônicas analisar o desempenho de diodos feitos de nitreto de gálio (GaN) e nitreto de alumínio e gálio (AlGaN).

"Todos os três documentos representam um progresso no caminho para conversores de energia mais compactos e de maior eficiência, "Kaplar disse." Eles também são desenvolvimentos muito interessantes em materiais semicondutores e física de dispositivos em seu próprio direito. "

Contudo, ele advertiu que o trabalho não significa que os dispositivos UWBG estejam prontos para o mercado.

"Há muito mais melhorias que precisam ser feitas no transistor, "disse ele." O mesmo com os diodos. Há muito mais otimização que precisa ser feita, muito que não entendemos sobre o comportamento deles. "

Pesquisadores da Sandia e de outros lugares estudaram os materiais do WBG, como carboneto de silício (SiC) e GaN, por cerca de duas décadas. Nos últimos anos, Sandia também analisou materiais UWBG de próxima geração, como AlGaN. Na verdade, Sandia cunhou o termo bandgap ultralargo, que pegou em toda a comunidade de pesquisa, Disse Kaplar.

Pesquisadores estudando a melhor maneira de cultivar novos materiais

Uma peça crítica do quebra-cabeça é descobrir a melhor maneira de cultivar novos materiais semicondutores. Os pesquisadores também devem entender os defeitos dos materiais, como processar materiais em dispositivos de trabalho e encontrar maneiras de melhorar os elementos passivos, como indutores magnéticos.

Os materiais semicondutores são caracterizados por sua eficiência e eficácia, portanto, é fácil presumir que você poderia fazer uma fonte de alimentação 10 vezes menor se um material fosse 10 vezes melhor do que outro. Mas não é tão simples. "Depende de outros componentes do conversor de energia. Há magnetismo, existem capacitores, "Kaplar disse." Estamos começando a ver o que é uma escala mais realista. "

Ele e seus colegas colaboram com especialistas da Sandia em outras áreas para entender a relação dos semicondutores com outros componentes em um sistema. "O semicondutor habilita o sistema, mas se você tem outra coisa que o está limitando, então você não pode alcançar todo o potencial do semicondutor para diminuir o tamanho da conversão de energia, "Kaplar disse.

Melhores materiais semicondutores significariam tensões absolutas mais altas para usos como distribuição de energia da rede elétrica. No momento, isso é feito empilhando dispositivos em série para alcançar a tensão combinada desejada. Uma vez que os materiais UWBG têm tensões mais altas do que os materiais mais tradicionais, muito menos dispositivos seriam necessários na pilha. Kaplar disse que os materiais UWBG também podem ser úteis em temperaturas extremas ou ambientes de radiação - aplicações de interesse para armas nucleares ou satélites.

Por causa do impacto potencial em grande parte do trabalho de Sandia, Kaplar espera que a pesquisa UWBG continue após o término do projeto atual em setembro. "Lançamos a base e queremos que continue avançando, tanto a ciência quanto as eventuais aplicações. "