Un nou tranzistor, fabricat din oxid de galiu, poate rezista la tensiuni electrice de peste 8.000 de volți. Această realizare deschide posibilități captivante, pentru sisteme electronice de putere, compacte și eficiente, din punct de vedere energetic. Tranzistoarele de înaltă tensiune se bazează pe studiile oxidului de galiu, dezvoltate în anul 2012.
„Acestea sunt cifre extraordinare, în comparație cu cele raportate inițial. Atingerea valorii de 8kV, pe parcursul a opt ani, este o realizare mare”, a declarat Uttam Singisetti, profesor de inginerie electrică și conducătorul echipei de cercetare a noului dispozitiv, din cadrul Universității din Buffalo.
Sistemele electronice de putere sunt cruciale în componența vehiculelor electrice, trenurilor, aeronavelor și invertoarelor care furnizează energie de la rețele solare și eoliene, pentru rețeaua electrică principală. Aceste sisteme controlează și manipulează puterea în locul datelor digitale, comută între curentul alternativ și curentul continuu, reglând nivelurile de tensiune, dar și gestionează fluxul de putere. Tranzistoarele utilizate în aceste sisteme trebuie să funcționeze la tensiuni și temperaturi ridicate. Cu cât un dispozitiv electric este mai subțire, cu atât rezistența acestuia este mai scăzută, ceea ce îl face mai eficient din punct de vedere energetic.
Carbura de siliciu a început să devină o alegere mai populară, în comparație cu siliciul, în componența electronicelor de putere. Avantajul său față de siliciu este lățimea benzii interzise (energia necesară pentru a excita electronii, în banda de conducție). Banda interzisă a carburii de siliciu are valoarea de 3,4eV, iar a siliciului este de 1,1eV. Acest lucru permite tranzistoarelor din carbură siliciu să reziste la tensiuni și temperaturi mult mai mari decât cele din siliciu. Dar succesul lor comercial a fost limitat de prețul lor ridicat.
Cercetătorii au încercat să realizeze tranzistoare de înaltă tensiune, din oxid de galiu, dar dispozitivele au avut, până acum, tensiuni de străpungere (tensiunea la care materialul semiconductor trece de la izolator la conductor) relativ modeste. Cu cât este mai mare tensiunea, cu atât dispozitivul electric poate manipula o energie mai mare.
Singisetti și colegii săi au analizat cu atenție dispozitivele pe care le-au fabricat și au constatat că stratul de oxid de galiu nu s-a exfoliat. În schimb, stratul subțire de aer, de la suprafața materialului, se descompunea. Așadar, cercetătorii au decis să acopere materialul cu un strat de polimer rezistent. Acest strat simplu de protecție a condus la dispozitive care pot gestiona tensiuni de peste 8.000 V.
Noile tranzistoare din oxid de galiu au o lungime de 80 de microni. Prin comparație, în prezent, tranzistorii din carbură de siliciu pot transporta 10.000 V, într-un dispozitiv, cu o dimensiune de aproximativ 150 microni.
Însă, pentru introducerea pe piață a tranzistoarelor fabricate din oxid de galiu este nevoie de mai multe studii de cercetare. „Una dintre cele mai mari provocări ale oxidului de galiu este conductivitatea termică scăzută. Când dispozitivul funcționează, în mod continuu, devine foarte fierbinte și am avea nevoie de o gestionare termică inovatoare”, a declarat Singisetti.
Cercetătorii se gândesc la diverse soluții pentru această problemă. Singisetti susține faptul că, o soluție posibilă, pentru îmbunătățirea conductivității termice, este de a realiza dispozitivele electronice, realizate din oxid de galiu, pe un substrat subțire de carbură de siliciu.
