Zajímavý článek o hledání alternativních materiálů pro výrobu tranzistorů. Zdá se, že jeden byl již nalezen. Nitrid gallia. Přečtěte, si jaké jsou jeho výhody oproti klasickým křemíkovým tranzistorům.

Výkonové tranzistory jsou klíčovou součástkou elektrických měničů výkonu, které se obecně využívají k přeměně elektrické energie (DC/DC, DC/AC, AC/DC, AC/AC) a umožňují ji transformovat na napětí různé velikosti. Lze je nalézt jak v nabíječkách mobilních telefonů, notebooků apod., tak i v průmyslových elektrických pohonech nebo systémech pro ovládání trakčních motorů rychlovlaků ICE. Významnou úlohu mají polovodičové výkonové měniče také v automobilové elektronice. Jejich výkonnost, účinnost, rozměry a hmotnost spolurozhodují o úspěchu téměř všech tzv. zelených koncepcích ve vývoji budoucích automobilů s hybridním a elektrickým pohonem. Vedle napájení vlastního elektropohonu je zde výkonová elektronika třeba také v systémech pro rekuperaci pohybové energie, pro inteligentní nabíjení baterií nebo pro napájení moderní palubní sítě. Hlavní požadavky na vývoj přicházejí proto z automobilového průmyslu.

 

V uplynulých třech desetiletích se v polovodičových měničích výkonu používaly převážně křemíkové unipolární tranzistory MOSFET. Nyní se však křemíkové výkonové komponenty přiblížily ke svému výkonovému maximu, danému fyzikálními vlastnostmi křemíku. To znamená, že již nemohou nabídnout poměr ceny a výkonu, jaký požadují úlohy příštích generací, a každé další zvětšování jejich výkonu je nepřiměřeně nákladné.

Odborníci na celém světě proto hledají nové materiály a nové struktury tranzistorů jako náhradu křemíkových tranzistorů v budoucích výkonových měničích. V posledních letech se velké naděje vkládaly do použití karbidu křemíku (SiC), ale vzhledem k jeho vysoké ceně se tento materiál na trhu neprosadil. Pozoruhodné materiálové vlastnosti však nabízí nitrid gallia (nitrid gallitý) GaN, který se podle odborníků může v této oblasti brzy stát nástupcem křemíku. V mikrovlnné technice se již vysokofrekvenční výkonové tranzistory na bázi nitridu gallia dokonce úspěšně používají, např. v základnových stanicích mobilních telefonních sítí.

 

Leibnizův ústav pro vysokofrekvenční techniku Ferdinanda Brauna (Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik – FBH) v Berlíně společně s partnery z dalších vědeckých pracovišť a z průmyslu v současnosti vyvíjí na bázi nitridu gallia nové tranzistory pro výkonovou elektroniku a připravuje jejich sériovou výrobu. Konečným cílem je vyvinout účinnější měniče výkonu vhodné především k použití v nově projektovaných automobilech s hybridním a elektrickým pohonem nebo ve stále výkonnějších fotovoltaických zařízeních.

 

Nitrid Gallia je tmavošedý prášek, který zahříváním s kyslíkem přechází v oxid gallitý. Má oproti křemíku velkou výhodu v tom, že jeho energetický pásmový odstup 3,4 eV je v porovnání s křemíkem (1,1 eV) více než trojnásobný, což umožňuje používat tranzistory na bázi GaN při vyšších teplotách. Tím klesají náklady na chlazení a zmenšují se rozměry i hmotnost měniče výkonu. Nitrid gallia má také větší průrazné napětí, a proto mohou tranzistory na bázi GaN v porovnání se stejně velkými křemíkovými tranzistory spínat vyšší napětí. Nové výkonové tranzistory z výzkumného ústavu FBH (obr. 1) dovolují např. spínat proudy velikosti několika desítek ampérů při napětích 1 000 V, i více. V podstatě se tyto nové výkonové prvky vyznačují podstatným zlepšením tří důležitých funkčních parametrů – výrazným poklesem hodnoty odporu v propustném stavu, větší dosažitelnou rychlostí spínání a díky menší spotřebě energie i lepší účinností. Rovněž je možné na jeden čip z nitridu gallia umístit větší počet elektronických prvků než při použití křemíku, což je mnohdy přednost velmi důležitá. Ovšem teprve budoucnost ukáže, zda se splní předpovědi odborníků a tranzistory na bázi nitridu gallia moderní výkonovou elektroniku skutečně ovládnou. Nitrid Gallia se používá i do LED osvětlení. Bílé světlo diody se podařilo získat až při doplnění o modré LED na bázi nitridu galia a india.

Naposledy změněno: neděle, 24. listopadu 2019, 01.20