Négyezer voltot is kezel az EPFL új, apró gallium-nitrid tranzisztora

A gallium-nitrid korlátját célozták meg

Minden elektronikus eszközben tranzisztorok szabályozzák az elektromos áram folyását. Ezeket az áramköri kapcsolókat évtizedeken keresztül szilíciumból készítették, újabban azonban a mérnökök egyre gyakrabban alkalmaznak gallium-nitridet, vagyis GaN-t. Ez az anyag kis méretű és hatékony eszközök, például okostelefonos töltők gyártását teszi lehetővé.

A nagy feszültségű működés ugyanakkor problémát jelent. A tranzisztor belsejében az elektromos tér bizonyos pontokon összpontosulhat, ami idő előtti meghibásodáshoz vezet. Emiatt a mai GaN-eszközök a legmagasabb feszültségszinteken továbbra is nehezen veszik fel a versenyt a szilíciumalapú megoldásokkal.

Az EPFL School of Engineering intézményéhez tartozó Power and Wide-band-gap Electronics Research Lab, röviden POWERlab kutatói erre a korlátra kerestek megoldást. Új tranzisztorosztályuk neve intrinsic polarization superjunction, rövidítve iPSJ.

Természetes töltéskiegyenlítést használtak

Az új eszköz gallium-nitrid-rétegekből épül fel, amelyeket alacsony költségű szilíciumalapra helyeztek. A chip méretű tranzisztor közel 4 kilovoltos feszültség elviselésére képes, mielőtt letörne. Az EPFL közleménye ezt az értéket rekordként írja le az ilyen technológiák között.

A megoldás alapja a GaN kristályszerkezetének természetes polarizációs hatása. Ez a hatás mozgékony elektronokat gyűjt vékony rétegekbe, amelyek vezetik az áramot. A hagyományos GaN-tranzisztoroknál kikapcsoláskor az elektronok kiszorulnak az áram útjából, és kiegyenlítetlen pozitív töltés marad utánuk. Ez egyetlen ponton koncentrálhatja a feszültséget, ami erős elektromos teret és végül meghibásodást okozhat.

A POWERlab kutatói úgy alakították ki a GaN-rétegeket, hogy az elektronréteg mellett egy második, pozitív töltésű réteg is természetes módon létrejöjjön. A rétegek vastagságának pontos beállításával a két töltés kiegyenlíti egymást a tranzisztor teljes hosszában. Így kikapcsoláskor nem gyűlik össze többlettöltés, a feszültség pedig egyenletesebben oszlik el.

Ötször nagyobb feszültség, alacsony ellenállás

Az EPFL szerint a kiegyensúlyozott kialakítás révén a tranzisztor a kereskedelmi GaN teljesítménytranzisztoroknál több mint ötször nagyobb feszültséget képes elviselni. Ezek az eszközök körülbelül 600 és 650 volt között mennek tönkre. Az iPSJ közben alacsony ellenállást tart fenn, ami mérsékli az energiaveszteséget és az annak következtében keletkező hőt.

Luca Mazzone, a kutatás doktorandusza és egyik első szerzője szerint az eszköz széles hőmérséklet-tartományban képes megtartani a nagy feszültséget. Ez alkalmassá teheti elektromos járművekben és ipari energiaellátó rendszerekben való használatra, ahol az elektronikának magas hőmérsékleten és erős elektromos terhelés mellett is megbízhatóan kell működnie.

Yuan Zong, a tanulmány másik első szerzője kiemelte, hogy a konstrukcióhoz nincs szükség kémiai adalékolásra, amelyet a hagyományos eszközökben a töltés szabályozására használnak. A kutató szerint az adalékolásalapú töltéskiegyenlítés GaN esetén érzékeny lehet a hőmérsékletre, ezért az adalékolás nélküli kialakítás növeli az eszköz robusztusságát.

Adatközpontokban és megújuló energiánál is számíthat

Elison Matioli, a POWERlab vezetője szerint a fejlesztés lehetővé teheti a nagy feszültségű teljesítményelektronika kompaktabb méretű, robusztus és hatékony megvalósítását. A nagyfeszültségű működés és az alacsony ellenállás együtt különösen fontos az AI-adatközpontok, a megújulóenergia-rendszerek és az elektromos járművek energiaátalakításában.

A kutatócsoport egy kapcsolódó munkában több vezetési csatorna hozzáadását is vizsgálta. Ezek elosztják az áramot, így csökkenthetik az ellenállást és a túlmelegedést. A POWERlab következő célja a két megközelítés egyesítése, hogy egyetlen teljesítményelektronikai megoldás kezelhesse biztonságosan a nagyon magas feszültséget, miközben alacsonyan tartja az elektromos ellenállást és az energiaveszteséget.

Az eredményeket bemutató tanulmány 2026. augusztus 31-én jelent meg a Nature Electronics folyóiratban.