Что заменит кремний?

Электроника на основе нитрида галлия сможет радикально снизить потребление энергии и в профессиональных, и в пользовательских решениях 26 Август 2015, 09:45
Нитрид галлия (GaN), материал с необычными свойствами, является перспективным полупроводником для силовой электроники — его эффективность более высока, чем у кремния. В 2013 году Министерство энергетики США из $140 млн, выделенных на исследования в области силовой электроники, отвела около половины на исследования применения нитрида галлия, ссылаясь на его потенциальную возможность снизить глобальное потребление энергии. В настоящее время компания Cambridge Electronics (создана на базе Массачусетского технологического института) объявила о разработке транзисторов на основе GaN и схем силовой электроники, которые обещают снизить потребление энергии в ЦОД, электромобилях и потребительских устройствах на 10-20% по всему миру к 2025 году.
Силовая электроника – повсеместно распространенная технология, используемая для изменения напряжения и силы электрического тока. Подобные решения можно найти и в блоке питания ноутбука, и в электрических подстанциях, которые служат для приема, преобразования и передачи электроэнергии потребителям. Многие из этих систем силовой электроники имеют в своей основе кремниевые транзисторы, регулирующие уровень напряжения, которые из-за имеющихся ограничений по скорости работы и сопротивлению, растрачивают энергию в виде тепла.
Сопротивление транзисторов на основе GaN, разработанных в Cambridge Electronics Inc (CEI), не превышает одной десятой сопротивления обычных транзисторов на основе кремния. Это позволяет повысить энергоэффективность и увеличить на порядки скорость частоты переключения – системы силовой электроники с этими компонентами могут быть гораздо меньших размеров. CEI использует такие транзисторы для создания силовой электроники, которая сделает центры обработки данных менее энергоемкими, электромобили более дешевыми и более мощными, а блоки питания ноутбуков в три раза компактнее, или даже еще меньше — чтобы они могли помещаться внутри компьютера.
Опытный образец блока питания для ноутбука, разработанный компанией Cambridge Electronics с использованием транзисторов на основе GaN. При размерах 24 кубических сантиметра это самый маленький модуль, который был когда-либо разработан.
Хотя транзисторы на основе GaN имеют ряд преимуществ над кремниевыми транзисторами, дорогостоящее производство и проблемы безопасности не позволяют запустить их в массовое производство. Но эти проблемы в основном удалось преодолеть при помощи конструктивных нововведений, осуществленных в конце 2000-х годов.
Транзисторы большой мощности сконструированы для пропускания больших токов в открытом состоянии и блокирования высоких напряжений — в закрытом. Если происходит разрыв цепи или нарушается ее работа, транзистор должен перейти в состояние «выключено», чтобы прервать прохождение электрического тока для предотвращения коротких замыканий и других проблем – это важная особенность кремниевых транзисторов.
Но транзисторы на основе GaN обычно находятся в открытом состоянии – значит, по умолчанию, они всегда проводят ток, что ранее было сложно исправить. Исследователи, воспользовавшись грантами Министерств обороны и энергетики США, разработали транзисторы на основе GaN, которые обычно находятся в «выключенном» состоянии, модифицировав структуру материала.
Чтобы создать транзисторы с обычными свойствами на основе GaN, ученые вырастили тонкий слой нитрида галлия на подложке. Исследователи при создании своих транзисторов наносили слои различных материалов с иными структурами, и в итоге получили состав, позволяющий изготавливать транзисторы на основе GaN, которые находятся в закрытом состоянии по умолчанию.
CEI в настоящее время использует эти новые транзисторы для разработки блоков питания ноутбуков, которые имеют размеры приблизительно 24 куб. см – меньше, чем когда либо разработанные.
Среди других реальных применений транзисторов – улучшенная силовая электроника для ЦОД, которые используют Google, Amazon, Facebook и другие компании.
Сегодня такие центры обработки данных потребляют около 2% электричества, вырабатываемого в США. Силовая электроника на основе GaN поможет сэкономить значительную его часть.
Другое основное перспективное применение технологии – замена силовой электроники на кремниевой основе в электромобилях, которая применяется в зарядных устройствах, заряжающих аккумулятор, и в инвертерах, которые преобразовывают энергию аккумулятора для питания электрических двигателей. Кремниевые транзисторы, используемые в настоящее время, имеют низкую допустимую мощность, которая ограничивает возможности электромобилей. Силовая электроника на основе GaN сможет повысить выходную мощность, что в итоге сделает электрокары более энергоэффективными и легкими, и, следовательно, более дешевыми и автономными.

Источник