Des chercheurs de Sandia National Laboratories ont montré qu'il était possible de fabriquer des transistors et des diodes à partir de matériaux semi-conducteurs avancés qui pourraient fonctionner bien mieux que le silicium, le cheval de bataille du monde de l'électronique moderne.

Le travail de rupture fait un pas vers une électronique de puissance plus compacte et efficace, qui à son tour pourrait tout améliorer, de l'électronique grand public aux réseaux électriques. L'électronique de puissance est vitale pour les systèmes électriques car elle transfère la puissance de sa source à la charge, ou utilisateur, en convertissant les tensions, courants et fréquences. Les recherches de Sandia ont été publiées cet été dans Lettres de physique appliquée et Lettres électroniques et présenté lors de conférences.

"L'objectif est de pouvoir réduire les alimentations, systèmes de conversion de puissance, " a déclaré l'ingénieur électricien Bob Kaplar, qui dirige un projet de recherche et développement dirigé par un laboratoire étudiant les matériaux semi-conducteurs à bande interdite ultra-large (UWBG). Le projet explore les moyens de faire croître ces matériaux avec moins de défauts et de créer différentes conceptions de dispositifs qui exploitent les propriétés de ces nouveaux matériaux qui présentent des avantages significatifs par rapport au silicium.

Le projet jette les bases scientifiques du nouveau domaine de recherche UWBG, répondre à des questions telles que le comportement des matériaux et la manière de les utiliser. Cela aidera également le travail plus large de Sandia à travers des développements, tels que la conversion de puissance compacte en utilisant de meilleurs dispositifs à semi-conducteurs. « Comprendre la science aide à atteindre ce deuxième objectif, " a déclaré Kaplar.

La bande interdite est une propriété fondamentale des matériaux qui aide à déterminer la conductivité électrique et, en fin de compte, les performances des transistors. Les matériaux à large bande interdite (WBG) permettent aux appareils de fonctionner à des tensions plus élevées, fréquences et températures, et commencent à avoir un impact sur les systèmes de conversion d'énergie. Les matériaux émergents à bande interdite ultra-large sont encore plus attrayants car ils pourraient permettre une mise à l'échelle supplémentaire vers des appareils fonctionnant à des tensions encore plus élevées, fréquences et températures. Lorsqu'ils sont transformés en transistors, les matériaux ont le potentiel d'améliorer considérablement les performances et l'efficacité des réseaux électriques, véhicules électriques, alimentations et moteurs informatiques pour des choses telles que le chauffage, systèmes de ventilation et de climatisation (CVC). Une commutation plus rapide pourrait également conduire à des condensateurs plus petits et des composants de circuit associés, miniaturiser l'ensemble du système électrique.

Le travail démontre le transistor à bande interdite la plus élevée

Les chercheurs de Sandia ont démontré le transistor à bande interdite la plus élevée de tous les temps, un transistor à haute mobilité électronique, et publié ces résultats dans l'édition du 18 juillet de Lettres de physique appliquée . Sandia a publié des articles en juin et juillet dans Lettres électroniques analyser les performances de diodes en nitrure de gallium (GaN) et en aluminium nitrure de gallium (AlGaN).

« Ces trois articles représentent des progrès sur la voie de convertisseurs de puissance plus compacts et plus efficaces, " a déclaré Kaplar. " Ce sont également des développements très excitants dans les matériaux semi-conducteurs et la physique des dispositifs à part entière. "

Cependant, il a averti que le travail ne signifie pas que les appareils UWBG sont prêts pour le marché.

"Il y a beaucoup plus d'améliorations qui doivent être apportées au transistor, " dit-il. " La même chose avec les diodes. Il y a beaucoup plus d'optimisation à faire, beaucoup de choses que nous ne comprenons pas à propos de leur comportement."

Des chercheurs de Sandia et d'ailleurs ont étudié les matériaux du WBG, tels que le carbure de silicium (SiC) et le GaN, pendant environ deux décennies. Dans les années récentes, Sandia a également examiné les matériaux UWBG de nouvelle génération, comme AlGaN. En réalité, Sandia a inventé le terme bande interdite ultralarge, qui a fait son chemin dans toute la communauté de la recherche, dit Kaplar.

Des chercheurs étudient la meilleure façon de cultiver de nouveaux matériaux

Une pièce essentielle du puzzle consiste à trouver le meilleur moyen de développer de nouveaux matériaux semi-conducteurs. Les chercheurs doivent également comprendre les défauts des matériaux, comment transformer les matériaux en dispositifs de travail et trouver des moyens d'améliorer les éléments passifs, tels que les inducteurs magnétiques.

Les matériaux semi-conducteurs se caractérisent par leur efficience et leur efficacité, il est donc facile de supposer que vous pourriez faire une alimentation 10 fois plus petite si un matériau est 10 fois meilleur qu'un autre. Mais ce n'est pas si simple. "Cela dépend des autres composants du convertisseur de puissance. Il y a le magnétisme, il y a des condensateurs, " Kaplar a déclaré. "Nous commençons à regarder ce qui est une échelle plus réaliste."

Lui et ses collègues collaborent avec des experts de Sandia dans d'autres domaines pour comprendre la relation entre les semi-conducteurs et les autres composants d'un système. "Le semi-conducteur permet au système, mais si vous avez autre chose qui le limite, alors vous ne pouvez pas atteindre le plein potentiel du semi-conducteur pour réduire la taille de la conversion de puissance, " a déclaré Kaplar.

De meilleurs matériaux semi-conducteurs signifieraient des tensions absolues plus élevées pour des utilisations telles que la distribution de l'énergie du réseau électrique. À l'heure actuelle, cela se fait en empilant des appareils en série pour atteindre une tension combinée souhaitée. Étant donné que les matériaux UWBG ont des tensions plus élevées que les matériaux plus traditionnels, beaucoup moins de périphériques seraient nécessaires dans la pile. Kaplar a déclaré que les matériaux UWBG pourraient également être utiles à des températures extrêmes ou dans des environnements de rayonnement – ​​des applications intéressantes pour les armes nucléaires ou les satellites.

En raison de l'impact potentiel sur une grande partie du travail de Sandia, Kaplar s'attend à ce que la recherche de l'UWBG se poursuive après la fin du projet en cours en septembre prochain. "On pose les bases et ensuite on veut qu'elle continue d'avancer, à la fois la science et les applications éventuelles."