Hitri tranzistorji varčujejo z energijo

Sestavljeni so iz kompleksnih struktur, nekateri v velikosti le nekaj nanometrov in jih je mogoče najti v večini elektronskih vezij: tranzistorji, zgrajeni iz polprevodniškega materiala, ki je nanesen na substrat, kot je na primer silicijev karbid (SiC).

Colombo Bolognesi, profesor za Millimeter-Wave elektroniko na ETH Zürich in njegova raziskovalna skupina so se specializirali za razvoj visoko zmogljivih tranzistorjev, ki so namenjeni čim hitrejšemu in čim bolj učinkovitemu prenašanju informacij.

Da bi se to res zgodilo, se morajo elektroni pomikati po polprevodniškem materialu čim hitreje. Samo v zadnjem letu je Bolognesijeva skupina izboljšala svoj hitrostni rekord za tako imenovani ‘High Electron Mobility Transistors (HEMTs)» s pomočjo aluminij-galijevega nitrida (AlGaN / GaN), materiala na silicijevi podlagi. Pred njihovimi poskusi so primerljive tehnologije pokazale dobre rezultate do frekvence 28 GHz, zdaj pa so z napravo, ki jo je zgradila Bolognesijeva skupina, prvič dosegli tudi 108 GHz!

Nov material

Bolognesijeva raziskovalna skupina, ki sedaj sodeluje s skupino Nicolasa Grandjeana (ki je profesor fizike na EPF Lausanne) raziskuje tudi nove materiale. Namesto da bi uporabili aluminij-galijev nitrid, so raziskovalci izkoristili ugodne lastnosti novejše kombinacije materialov, ki vsebujejo tudi aluminij-indij-nitrid (AlInN / GaN). Prednost v tem, da ima AlInN bistveno večje »prepovedano« energijsko območje od ostalih polprevodnikov, ki se običajno uporabljajo. Tako imenovano prepovedano energijsko območje je ena od najpomembnejših lastnosti polprevodniškega materiala. Polprevodniki, ki imajo večje prepovedano energijsko območje, se uporabljajo za izdelavo tranzistorjev, ki delujejo na precej višjih temperaturah, zdržijo višje napetosti in lahko krmilijo večje moči signala, kot je mogoče z običajnimi materiali, na primer s silicijem. «Drugi raziskovalci so že predstavili lastnost, da lahko AlInN / GaN HEMT tranzistorji delujejo pri visokih temperaturah, celo do 1000 oC, kar daleč presega zmogljivosti silicija in celo AlGaN / GaN tranzistorjev,« pravi Bolognesi.

Vse do danes so bili AlInN / GaN tranzistorji počasnejši kot tisti s kombinacijo materialov AlGaN/GaN. Raziskovalci so zdaj ta problem odpravili. Uspelo jim je premagati svoj lasten rekord 102 GHz, ki so ga dosegli z AlInN / GaN tranzistorji, na osnovi Silicija, z AlInN / GaN transistorjem na osnovi silicijevega karbida. Z enim samim korakom so povečali mejno frekvenco za 41 odstotkov, do 144 GHz. «To je ogromen napredek«, navaja Bolognesi od veselja. «Predstavljajte si na primer tekača, ki bi nenadoma pretekel sto metrov 40 odstotkov hitreje«. In še čisto zadnja novica iz laboratorija, ki smo jo izvedeli med pisanjem tega članka: Bolognesi poroča, da je njegova ekipa pravkar dosegla mejno frekvenco 200 GHz. «To podira vse rekorde na tem področju raziskav.«

Znatno zmanjšanje porabe energije

Eden od možnosti komercialne uporabe podobnih tranzistorjev bi bile lahko antene brezžičnega upravljanja v močnostni ojačevalniki. Tam bi tranzistorji iz galijevega nitrida prispevali k zmanjšanju stroškov energije zaradi njihove večje učinkovitosti. »Za primer vzemimo operaterja mobilne telefonije z 10.000 baznimi postajami, ki so opremljene z običajnimi močnostnimi ojačevalniki, ki letno porabijo v povprečju 30 MWh, s tem pa je povezanih 100’000 ton emisij CO2 », pravi Bolognesi. «Približno 80 odstotkov te energije je izgubljeno v obliki toplote in še mnogo več, če so prostori z oddajno opremo klimatizirani». Z uporabo tranzistorjev iz galijevega nitrida bi lahko operaterji mobilne telefonije znatno zmanjšali porabo energije in zmanjšali emisij CO2 za več deset tisoč ton. Za primerjavo, kakšna je ta vrednost povejmo, da 10.000 ton CO2 ustreza emisiji 5000 avtomobilov srednjega razreda, ki prevozijo 10.000 kilometrov letno! Za informacijo še to: trenutno deluje na ozemlju Švice približno 11000 brezžičnih baznih postaj.

Narejeno v Švici!

Bolognesi meni, da bi lahko s tranzistorji na osnovi galijevega nitrida že danes izboljšali učinkovitost brezžičnih oddajnikov iz sedanjih 15-20 na 60 odstotkov. Izjemne rezultate dosega ekipa s procesnim know-how-om in predanostjo, možnostjo uporabe FIRST laboratorija, kot tudi s kakovostjo materialov, ki jih dobijo od EPFL sodelavcev. Opogumljeni s svojimi zadnjimi dosežki raziskovalci še naprej delajo z velikim navdušenjem za nadaljnje izboljšanje karakteristik tranzistorjev. Dosežke bodo predstavili tudi na sejmu Electronica v Munchnu, ki se bo odvijal od 9 do 12 novembra letos.