Un transistor de puissance au nitrure de gallium 100 V avec une puissance de sortie de 600 W à une fréquence de 1,0 GHz. Crédit :Fraunhofer IAF
Des chercheurs du Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF ont réussi à augmenter de manière significative la puissance de sortie de leurs transistors haute fréquence à base de GaN pour la gamme de fréquences de 1 à 2 GHz :ils ont pu doubler la tension de fonctionnement des appareils de 50 volts à 100 volts, réalisant ainsi une efficacité de puissance ajoutée de 77,3 pour cent. Cette technologie permet le développement d'amplificateurs très performants avec une puissance encore plus élevée, comme requis pour les applications dans les domaines de la génération de plasma, chauffage industriel, technologies des communications et des radars.
La densité de puissance des transistors est l'un des critères les plus importants pour leur utilisation dans des applications à haute puissance dans la gamme des GHz. Elle détermine la taille des modules amplificateurs et donc en grande partie la complexité du système, deux éléments déterminants pour les coûts de fabrication et l'utilisation des ressources nécessaires.
Il existe plusieurs façons d'augmenter la densité de puissance des transistors. Les chercheurs de Fraunhofer IAF ont choisi la voie de l'augmentation de la tension de fonctionnement :en mettant à l'échelle la conception du transistor verticalement et latéralement, ils ont réussi, pour la première fois en Europe, dans la réalisation de transistors haute fréquence adaptés aux applications à une tension de fonctionnement de 100 volts. Ces dispositifs basés sur le nitrure de gallium semi-conducteur (GaN) se caractérisent par une densité de puissance considérablement augmentée à des fréquences de l'ordre du GHz.
Les mesures en laboratoire montrent une efficacité record
Les performances de ces dispositifs nouvellement développés pour la gamme de fréquences 1 à 2 GHz ont déjà été démontrées en laboratoire :les mesures ont montré une densité de puissance de plus de 17 W/mm et un rendement énergétique ajouté (PAE) de 77,3 % à une fréquence de 1,0 GHz. Il s'agit de l'efficacité de puissance ajoutée la plus élevée jamais enregistrée pour un fonctionnement à 100 V dans cette plage de fréquences. Des tests ont même montré que cette technologie délivrait une densité de puissance supérieure à 20 W/mm à 125 V. Les chercheurs ont présenté leurs résultats lors de l'International Electron Devices Meeting (IEDM) à San Francisco pour la première fois en décembre 2019.
Deux fois la tension pour une puissance beaucoup plus élevée
"L'augmentation de la tension de fonctionnement de 50 à 100 volts permet des densités de puissance plus élevées. Cela signifie qu'un système peut fournir plus de puissance sur la même zone que ce qui est possible avec les technologies 50 V ou 65 V disponibles dans le commerce, " explique Sebastian Krause de Fraunhofer IAF, l'un des principaux développeurs de la technologie.
D'un côté, cela permet des systèmes de même taille avec une puissance de sortie plus élevée. D'autre part, il est possible de créer des systèmes plus compacts et plus légers délivrant la même puissance, car moins de surface de puce est nécessaire pour atteindre le niveau de puissance souhaité :"En doublant la tension de fonctionnement à 100 V, le transistor présente une impédance de sortie quatre fois plus élevée pour une puissance donnée, " dit Krause. Cela permet la mise en œuvre de réseaux d'appariement plus petits et donc moins de pertes, lequel, à son tour, entraîne une meilleure efficacité énergétique de l'ensemble du système.
La technologie 100 V est d'un grand intérêt pour les applications hautes performances telles que les générateurs de plasma, accélérateurs de particules et chauffage industriel par micro-ondes. Crédit :Will Folsom, Licence :Attribution 2.0 Générique (CC BY 2.0)
Utilisation dans les systèmes industriels à haute puissance
"L'objectif à long terme de notre développement est un fonctionnement à 10 GHz, " explique Krause. Cela ferait de l'Institut Fraunhofer, basé à Fribourg, la première source pour de tels dispositifs à base de GaN 100 V. Cela présente un intérêt particulier pour les applications hautes performances telles que les accélérateurs de particules, appareils de chauffage industriels à micro-ondes, amplificateurs de téléphonie mobile, radar à impulsions et à ondes continues et amplificateurs pour générateurs de plasma. Ces systèmes nécessitent des niveaux de puissance de sortie élevés tout en conservant un faible encombrement, exactement ce que la technologie 100 V peut fournir.
Les accélérateurs de particules jouent un rôle important dans la recherche, technologie médicale et industrie. Des générateurs de plasma dans la gamme des hautes fréquences sont utilisés, par exemple, pour les processus de revêtement dans la production de puces à base de semi-conducteurs, supports de stockage de données ou cellules solaires.
Les semi-conducteurs de puissance remplacent les composants du vide
Un autre grand domaine d'application industriel est celui des générateurs de puissance pour le chauffage par micro-ondes. "Dans ce champ, l'industrie travaille généralement à des fréquences plus élevées, mais des composants sous vide, par exemple. magnétrons ou klystrons, sont majoritairement utilisés à ce jour. Ici, nous travaillons à fournir une alternative à base de semi-conducteurs. Les semi-conducteurs sont beaucoup plus compacts et plus légers, qui permet des arrangements tels que des réseaux phasés, " dit Krause.
Pendant longtemps, les composants à base de tubes (par exemple, les tubes à ondes progressives) ont dominé les systèmes électroniques avec une puissance de sortie élevée. Cependant, le développement s'oriente vers les semi-conducteurs de puissance. Les scientifiques de FraunhoferIAF pensent que la technologie 100 V à base de GaN peut constituer une alternative efficace pour augmenter la puissance des générateurs de micro-ondes.
