Компактные зарядные устройства для смартфонов давно используют нитрид галлия — он позволяет эффективно преобразовывать энергию без громоздких компонентов. Но для более серьезных систем, таких как электромобили, промышленные энергоустановки или центры обработки данных, этого материала часто недостаточно: при высоких напряжениях он уступает кремнию.
Инженеры предложили решение, при котором вместо введения в материал специальных химических добавок для управления зарядом используются природные свойства кристаллической структуры нитрида галлия. Благодаря спонтанной и пьезоэлектрической поляризации материал сам формирует сверхтонкие слои с подвижными электронами и дырками.
Ученые создали структуру, в которой концентрация электронов и дырок в соседних слоях почти одинакова — разница составила менее двух процентов. В обычных устройствах при выключении транзистора избыточный заряд скапливается в одной области, что приводит к резкому росту электрического поля и пробою. В новом подходе положительные и отрицательные заряды взаимно компенсируют друг друга, и поле распределяется по прибору более равномерно.
В результате команда получила диоды Шоттки с напряжением пробоя выше 3,9 кВ и удельным сопротивлением в открытом состоянии 4,7 мОм·см². Транзисторные версии выдерживали 3,5 кВ во включенном состоянии и 3,4 кВ в выключенном — это более чем в пять раз превышает показатели многих коммерческих GaN-устройств. При этом характеристики сохранялись при нагреве до 125 °C.
Конструкция не требует легирования для балансировки заряда, а значит, менее чувствительна к изменениям температуры. Это повышает надежность в условиях реальной эксплуатации.
Пока разработка существует только в лабораторном формате. Использованная подложка из кремния ограничивает максимальное напряжение, и другие типы подложек могли бы расширить эти возможности. Та же исследовательская группа разрабатывает многоканальные структуры, которые распределяют ток по нескольким путям, снижая сопротивление и нагрев.
Следующий этап — объединить оба подхода, чтобы одновременно решить две главные задачи: безопасную работу при сверхвысоком напряжении и минимальные энергетические потери. Это может сделать силовую электронику для электромобилей, возобновляемой энергетики и ИИ-центров обработки данных более компактной и эффективной.
Читайте также:
Основатель электрических гиперкаров Rimac и глава Bugatti считает, что будущее за бензином
Сжатие электролита продлевает жизнь твердотельным аккумуляторам на тысячи циклов