Новый тип транзисторов – суперпереход с внутренней поляризацией (iPSJ) - был изобретен для того, чтобы справиться со склонностью GaN-транзисторов выходить из строя при очень высоких напряжениях.

Устройство, изобретенное в лаборатории PowerLab Федеральной школы Лозанны (EPFL) и изготовленное из слоев нитрида галлия на кремниевой основе, выдерживает напряжение около 4 кВ, прежде чем выйти из строя.

В то же время он сохраняет низкое сопротивление, помогая снизить потери энергии, которые в противном случае выделялись бы в виде тепла.

Сочетание высокого напряжения и низкого сопротивления имеет важное значение для эффективного преобразования энергии в центрах обработки данных с искусственным интеллектом и системах возобновляемой энергетики.

“Мы достигаем этого, используя уникальный для GaN эффект естественной поляризации, - объясняет руководитель PowerLab Элисон Матиоли (на фото справа). - Наша работа может позволить создавать надежную, эффективную высоковольтную силовую электронику в гораздо более компактных масштабах”.

Благодаря кристаллической структуре нитрида галлия внутренние электрические силы собирают подвижные электроны в тонкие слои, по которым проходит ток.

Однако в обычных GaN-транзисторах эти электронные пластины также являются ахиллесовой пятой: когда устройство выключается, отрицательно заряженные электроны вытесняются с пути прохождения тока, оставляя после себя положительный заряд без соответствующего отрицательного заряда.

Этот дисбаланс концентрирует напряжение в одной точке устройства, создавая интенсивное электрическое поле, которое может привести к поломке.

компания PowerLab спроектировала слои GaN транзистора таким образом, что второй слой положительного заряда естественным образом образуется рядом с электронным слоем, создавая соответствующие положительные и отрицательные заряды.

Тщательно подбирая толщину материала, команда разработчиков следит за тем, чтобы два слоя заряда уравновешивали друг друга во всем устройстве.

В результате, когда устройство выключается, избыточный заряд не накапливается, позволяя напряжению равномерно распределяться по всей длине транзистора — подобно тому, как в положении лежа распределяется ваш вес на тонком льду, — а не накапливаться опасно.

Конструкция позволяет транзистору PowerLab выдерживать напряжение, более чем в пять раз превышающее напряжение коммерческих устройств питания GaN, которые выходят из строя при напряжении около 600-650 В.

“Наше устройство может выдерживать высокое напряжение в широком диапазоне температур, что делает его подходящим для электромобилей или промышленных энергосистем, где электроника должна надежно работать при высоких температурах и электрическом напряжении”, - говорит аспирант и соавтор исследования Лука Маццоне (на фото слева).

Аспирант и соавтор Юань Цзун (на фото второй слева) добавляет, что еще одним важным преимуществом этого подхода является то, что он устраняет необходимость в химическом легировании, которое используется для контроля заряда в обычных устройствах. “Балансировка заряда в GaN на основе легирования может быть очень чувствительной к температуре. Наша конструкция, не содержащая допинга, является ключом к надежности нашего устройства”.

Также на снимке изображен исследователь Гонконг Чжу.