En el interior de cada dispositivo electr\u00f3nico, el flujo de electricidad est\u00e1 controlado por un interruptor llamado transistor. Durante d\u00e9cadas, estos interruptores se fabricaron con silicio. M\u00e1s recientemente, los ingenieros han recurrido a un material llamado nitruro de galio (GaN), que permite la creaci\u00f3n de dispositivos peque\u00f1os y eficientes como los cargadores de tel\u00e9fonos inteligentes.<\/p>\n\n\n\n
Sin embargo, a voltajes muy altos, los campos el\u00e9ctricos dentro de estos transistores pueden concentrarse en puntos espec\u00edficos, lo que provoca su fallo prematuro. Como resultado, los dispositivos de GaN actuales todav\u00eda tienen dificultades para funcionar a los niveles de voltaje m\u00e1s altos alcanzados por el silicio.<\/p>\n\n\n\n
Para superar esta limitaci\u00f3n, los investigadores del Laboratorio de Investigaci\u00f3n de Electr\u00f3nica de Potencia y Banda Ancha (POWERlab) de la Escuela de Ingenier\u00eda de la EPFL han introducido una nueva clase de transistor de GaN: la superuni\u00f3n de polarizaci\u00f3n intr\u00ednseca, o iPSJ.<\/p>\n\n\n\n
Este dispositivo del tama\u00f1o 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 r\u00e9cord para este tipo de tecnolog\u00eda. Al mismo tiempo, mantiene una baja resistencia, lo que ayuda a reducir las p\u00e9rdidas de energ\u00eda que de otro modo se liberar\u00edan en forma de calor.<\/p>\n\n\n\n
La combinaci\u00f3n de alta capacidad de voltaje y baja resistencia es esencial para una conversi\u00f3n de energ\u00eda eficiente en centros de datos de IA y sistemas de energ\u00eda renovable. “Lo logramos aprovechando un efecto de polarizaci\u00f3n natural exclusivo del GaN”, explica Elison Matioli, director de POWERlab. “Nuestro trabajo podr\u00eda permitir el desarrollo de electr\u00f3nica de potencia de alto voltaje, robusta y eficiente, en formatos mucho m\u00e1s compactos”.<\/p>\n\n\n\n
Gracias a la estructura cristalina del nitruro de galio, las fuerzas el\u00e9ctricas internas agrupan los electrones m\u00f3viles en finas l\u00e1minas que transportan la corriente. Sin embargo, en los transistores de GaN convencionales, estas l\u00e1minas de electrones tambi\u00e9n representan un punto d\u00e9bil: cuando el dispositivo se apaga, los electrones con carga negativa son expulsados \u200b\u200bdel circuito, dejando una carga positiva sin una carga negativa equivalente. Este desequilibrio concentra el voltaje en un \u00fanico punto del dispositivo, generando un campo el\u00e9ctrico intenso que puede provocar una ruptura diel\u00e9ctrica.<\/p>\n\n\n\n
El nuevo trabajo de POWERlab, publicado en\u00a0Nature Electronics<\/a>, muestra c\u00f3mo prevenir este desequilibrio de carga. Los investigadores dise\u00f1aron 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 as\u00ed cargas positivas y negativas equilibradas.<\/p>\n\n\n\n Ajustando cuidadosamente el grosor del material, el equipo garantiza que las dos capas de carga se equilibren entre s\u00ed 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.<\/p>\n\n\n\n El innovador dise\u00f1o equilibrado permite que el transistor de POWERlab soporte m\u00e1s de cinco veces el voltaje de los dispositivos de potencia GaN comerciales, que se rompen a unos 600-650 V.<\/p>\n\n\n\n “Nuestro dispositivo puede soportar un alto voltaje en un amplio rango de temperaturas, lo que lo hace adecuado para veh\u00edculos el\u00e9ctricos o sistemas de energ\u00eda industriales, donde los componentes electr\u00f3nicos deben funcionar de manera confiable bajo altas temperaturas y estr\u00e9s el\u00e9ctrico”, dice Luca Mazzone, estudiante de doctorado y coautor principal.<\/p>\n\n\n\n Yuan Zong, estudiante de doctorado y coautor principal, a\u00f1ade que otra gran ventaja de este enfoque es que elimina la necesidad de dopaje qu\u00edmico, que se utiliza para controlar la carga en los dispositivos convencionales. “El equilibrio de carga basado en el dopaje en GaN<\/a>\u00a0puede ser muy sensible a la temperatura. Nuestro dise\u00f1o sin dopaje es clave para la robustez de nuestro dispositivo”.<\/p>\n\n\n\nHacia la electr\u00f3nica de potencia de pr\u00f3xima generaci\u00f3n<\/h2>\n\n\n\n