En el interior de cada dispositivo electrónico, el flujo de electricidad está controlado por un interruptor llamado transistor. Durante décadas, estos interruptores se fabricaron con silicio. Más recientemente, los ingenieros han recurrido a un material llamado nitruro de galio (GaN), que permite la creación de dispositivos pequeños y eficientes como los cargadores de teléfonos inteligentes.
Sin embargo, a voltajes muy altos, los campos eléctricos dentro de estos transistores pueden concentrarse en puntos específicos, lo que provoca su fallo prematuro. Como resultado, los dispositivos de GaN actuales todavía tienen dificultades para funcionar a los niveles de voltaje más altos alcanzados por el silicio.
Para superar esta limitación, los investigadores del Laboratorio de Investigación de Electrónica de Potencia y Banda Ancha (POWERlab) de la Escuela de Ingeniería de la EPFL han introducido una nueva clase de transistor de GaN: la superunión de polarización intrínseca, o iPSJ.
Este dispositivo del tamaño de un chip, fabricado con capas de nitruro de galio sobre una base de silicio de bajo costo, puede soportar casi 4 kilovoltios (kV) antes de fallar, un récord para este tipo de tecnología. Al mismo tiempo, mantiene una baja resistencia, lo que ayuda a reducir las pérdidas de energía que de otro modo se liberarían en forma de calor.
La combinación de alta capacidad de voltaje y baja resistencia es esencial para una conversión de energía eficiente en centros de datos de IA y sistemas de energía renovable. “Lo logramos aprovechando un efecto de polarización natural exclusivo del GaN”, explica Elison Matioli, director de POWERlab. “Nuestro trabajo podría permitir el desarrollo de electrónica de potencia de alto voltaje, robusta y eficiente, en formatos mucho más compactos”.
Ingeniería de un fenómeno natural
Gracias a la estructura cristalina del nitruro de galio, las fuerzas eléctricas internas agrupan los electrones móviles en finas láminas que transportan la corriente. Sin embargo, en los transistores de GaN convencionales, estas láminas de electrones también representan un punto débil: cuando el dispositivo se apaga, los electrones con carga negativa son expulsados del circuito, dejando una carga positiva sin una carga negativa equivalente. Este desequilibrio concentra el voltaje en un único punto del dispositivo, generando un campo eléctrico intenso que puede provocar una ruptura dieléctrica.
El nuevo trabajo de POWERlab, publicado en Nature Electronics, muestra cómo prevenir este desequilibrio de carga. Los investigadores diseñaron las capas de GaN del transistor para que se forme de forma natural una segunda capa de carga positiva junto a la capa de electrones, creando así cargas positivas y negativas equilibradas.
Ajustando cuidadosamente el grosor del material, el equipo garantiza que las dos capas de carga se equilibren entre sí en todo el dispositivo. Como resultado, cuando el dispositivo se apaga, no se acumula un exceso de carga, lo que permite que el voltaje se distribuya uniformemente a lo largo del transistor en lugar de acumularse peligrosamente.
Hacia la electrónica de potencia de próxima generación
El innovador diseño equilibrado permite que el transistor de POWERlab soporte más de cinco veces el voltaje de los dispositivos de potencia GaN comerciales, que se rompen a unos 600-650 V.
“Nuestro dispositivo puede soportar un alto voltaje en un amplio rango de temperaturas, lo que lo hace adecuado para vehículos eléctricos o sistemas de energía industriales, donde los componentes electrónicos deben funcionar de manera confiable bajo altas temperaturas y estrés eléctrico”, dice Luca Mazzone, estudiante de doctorado y coautor principal.
Yuan Zong, estudiante de doctorado y coautor principal, añade que otra gran ventaja de este enfoque es que elimina la necesidad de dopaje químico, que se utiliza para controlar la carga en los dispositivos convencionales. “El equilibrio de carga basado en el dopaje en GaN puede ser muy sensible a la temperatura. Nuestro diseño sin dopaje es clave para la robustez de nuestro dispositivo”.
En un trabajo complementario, POWERlab ha demostrado cómo la adición de múltiples canales de conducción a los componentes de electrónica de potencia distribuye la corriente para reducir la resistencia y el sobrecalentamiento, del mismo modo que añadir más carriles a una autopista permite que el tráfico fluya con mayor fluidez y evita los atascos.
“Nuestro próximo objetivo es combinar estos dos enfoques para abordar los dos desafíos principales a los que se enfrenta la electrónica de potencia de próxima generación: manejar voltajes muy altos de forma segura, minimizando al mismo tiempo la resistencia eléctrica y la consiguiente pérdida de energía”, afirma Matioli.
Fuente: Tech Xplore.
