Lausannen polyteknisessä korkeakoulussa on kehitetty galliumnitridipohjainen nanotransistori, joka lupaa paljon tulevalta tehoelektroniikalta. Transistori pystyy käsittelemään jopa 1300 voltin jännitteitä, mutta pysymään silti viileänä.
Kaiken elektroniikan keskiössä ovat muunninpiirit. Niiden avulla voimme kytkeä tietokoneemme, lamput ja televisiot verkkovirtaan ja käynnistää ne nopeasti. Muuntimet muuntavat pistorasioista tulevan vaihtovirran elektroniikan tarvitsemaksi tasavirraksi. Ikävä kyllä jopa 20 prosenttia energiasta katoaa prosessissa taivaan tuuliin lämpönä.
EPFL:n tutkijat lähtivät ratkaisemaan ongelmaa kutistamalla tehotransistorin pienemmäksi. Tämän sekä GaN-materiaalin käyttämisen myötä muunnosprosessin aikana menetetään paljon vähemmän lämpöä, joten transistorit soveltuvat erityisen hyvin suuritehoisiin sovelluksiin, kuten sähköajoneuvoihin ja aurinkopaneeleihin.
Muuntimien lämmöntuotto johtuu muun muassa korkeasta sähkövastuksesta, mikä on suurin ongelma elektroniikkalaitteissa. - Näemme esimerkkejä sähkötehohäviöistä joka päivä, esimerkiksi kun kannettavan tietokoneen laturi lämpenee, kertoo EPFL:n POWERlabin johtaja Elison Matioli.
- Mitä suurempi puolijohdekomponenttien nimellisjännite, sitä suurempi vastus on. Tehohäviöt lyhentävät esimerkiksi sähköajoneuvojen alueita ja vähentävät uusiutuvien energialähteiden järjestelmien tehokkuutta, hän lisää.
Matioli on yhdessä tiiminsä kanssa kehittänyt transistorin, joka voi vähentää huomattavasti vastusta ja vähentää lämmöntuottoa suuritehoisissa järjestelmissä. Tarkemmin sanottuna uuden nanotransistorin resistanssi on alle puolet perinteisen transistorin lukemista, vaikka sillä voidaan ajaa yli kilovoltin jännitteitä.
Transistorin tekniikka sisältää kaksi keskeistä innovaatiota. Ensinnäkin komponenttiin on rakennettu useita kanavia virran jakamiseksi. Tämä rakenne jakaa virran virtauksen vähentäen vastusta ja ylikuumenemista.
Toinen innovaatio koskee galliumnitridistä valmistettujen nanojohtojen käyttöä. Nanolankoja käytetään jo pienitehoisissa siruissa, kuten älypuhelimissa ja kannettavissa tietokoneissa, mutta ei suurjännitesovelluksissa. Matiolin tutkimustiimi kehitti GaN-nanojohdot, joiden halkaisija oli 15 nanometriä. Myös niiden suppilomainen rakenne on ainutlaatuinen ja sen ansiosta ne pystyvät tukemaan korkeita sähkökenttiä ja yli 1000 voltin jännitteitä hajoamatta.
Matiolin mukaan kehitetty nanotransistori on vielä kokeiluvaiheessa, mutta suuren mittakaavan tuotannolle ei pitäisi olla mitään suuria esteitä. – Kanavien lisääminen on yksinkertaista ja nanojohtojemme halkaisija on kaksi kertaa suurempi kuin Intelin valmistamien pienimpien transistorien koko, Matioli selventää.
Suurtehotransistorien kysyntä on isossa kasvussa, sillä niiden avulla voidaan esimerkiksi sähköautojen ajomatkaa yhdellä latauksella pidentää. Useat suuret valmistajat ovat ilmaisseet kiinnostuksensa tehdä yhteistyötä Matiolin kanssa tekniikan edelleen kehittämiseksi.
