ダイヤモンドトランジスタ

パワー エレクトロニクス インサイダー

アリゾナ州立大学とノースロップ・グラマンの研究者は、ダイヤモンドからパワートランジスタを作成する新しいプロジェクトに取り組んでいます。 その結果、効率が向上し、配電網変電所のサイズが大幅に縮小され、携帯電話の塔のコストが削減される可能性があります。

パワートランジスタは伝統的にシリコンで作られてきました。 しかし、ASU アドバンスト マテリアルズ チームは、ノースロップ グラマン ミッション システムと協力して、現在の材料よりも 8 ～ 10 倍効率的に熱を放散するダイヤモンドを研究しています。 これは、ダイヤモンドの可能性を最大限に活用すれば、パワー トランジスタのサイズを 90% 削減できることを意味します。

また、ダイヤモンドは高い絶縁破壊電界を持っており、故障する前に他のほとんどの材料に比べて大量の電圧に耐えることができます。 高絶縁破壊領域は、大量の電力を処理するアプリケーションに理想的であり、再生可能エネルギーへの移行と輸送部門の電化を進める上で、これらの新しいトランジスタが不可欠になる可能性があります。

シリコンは長い間、半導体デバイスの標準的な材料でした。 パワー トランジスタは電力の流れを調整し、伝統的にシリコンで作られてきましたが、より高度な最新のトランジスタは炭化ケイ素や窒化ガリウムなどの材料で作られています。

アリゾナ州立大学アイラ・A・フルトン工学部の電気工学教授であるトレバー・ソーントン氏は、ダイヤモンドと窒化ホウ素という2つの新しいトランジスタ材料の使用を研究するチームを率いている。

研究チームがトランジスタの本体材料として選んだのはダイヤモンドですが、トランジスタの電気接点に窒化ホウ素を使用することも研究しています。 ダイヤモンドと同様に、窒化ホウ素は高い絶縁破壊電界と高い熱伝導率を持っています。

研究チームは、ダイヤモンドと窒化ホウ素がトランジスタ材料としてどのように機能するかについての知識を組み合わせることで、両方の材料で作られたトランジスタを作成できると期待している。 チームの希望は、これらの素材が相互に補完し合い、個別に使用するよりも一緒に使用するとさらに効果的に機能することです。

この研究には、特に通信技術に役立つ応用例があります。 たとえば、多くの衛星は太陽光発電で動作しますが、その電力を衛星が使用できる形式に変換するにはトランジスタが必要です。

「変電所を宇宙に打ち上げることはできない」とソーントン氏は語った。 「したがって、衛星のサイズと重量の改善は大きな影響を及ぼします。」

トランジスタが改善できる可能性のある他の通信技術は、もう少し身近なところでは、携帯電話の塔です。 トランジスタは、携帯電話が使用する無線周波数の生成に必要な適切な形式に電力を変換します。

ソーントン氏は、携帯電話の塔を設計、運用する際に直面する最大の課題の一つは、塔を低温に保つことだと語った。 これは、フェニックスのような暑い環境では特に当てはまります。

古い携帯電話の塔のパワー トランジスタは通常シリコンで作られていますが、新しい 5G システムのパワー トランジスタは窒化ガリウムを使用します。 ソーントン氏のチームは、ダイヤモンドと窒化ホウ素で作られたトランジスタが熱放散の改善により、携帯電話塔に必要な冷却電力を大幅に削減できると期待している。 これにより、携帯電話基地局の過熱を防ぐ作業がはるかに簡単になります。

ノースロップ・グラマン・ミッション・システムズとのプロジェクトは通信技術に焦点を当てているが、ダイヤモンドと窒化ホウ素から作られたトランジスタは電気システムや電力網の電力変換にも応用されている。 これらのより効率的な材料により、電力網変電所のサイズ要件が軽減される可能性があります。 変電所は通常、建物と同じくらいの面積の土地を占有します。 「私たちはそれらをより小さく、より効率的にしたいと考えています」とソーントン氏は言いました。

ASU 物理学科の教員である Robert Nemanich 氏は、ULTRA エネルギー フロンティア研究センターと呼ばれるパワー エレクトロニクスの研究を行うグループを率いています。 彼はまた、ソーントンのチームが研究で使用する人工ダイヤモンド材料を成長させるための研究室を率いています。 「私たちは過去10年間、電子機器用のダイヤモンドを栽培してきました」とネマニッヒ氏は語った。 「当社のダイヤモンド蒸着ラボには、電子材料およびデバイスの開発において独自の能力があると信じています。」

ソーントンの電気工学の専門知識とネマニッチの電子材料としてのダイヤモンドの研究に加えて、フルトン スクールのもう 1 人の教員であるテリー アルフォードが材料科学の専門知識を提供しています。 アルフォード氏は材料の特性評価に取り組んでおり、チームが調査している材料の特性を分析しています。 彼はまた、基板としてダイヤモンドに接続された新しいタイプの金属電気接点の使用を検討する研究の一部も主導しています。

このトランジスタ研究プロジェクトには、ノースロップ・グラマン・ミッション・システムズとの提携を通じて2年間の資金提供が行われている。 しかし、広範な用途におけるトランジスタの可能性を完全に実現するには、さらに時間がかかる可能性があるとソーントン氏は述べた。

「ブレークスルーはあるだろうが、我々が話しているような形で広く採用されるのは5～10年先だと思う」と彼は言う。 「これは中長期的な研究であり、一部の応用はより早く実現するでしょうが、他の応用は広範な消費者応用には10年かかるでしょう。」

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