Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

Nitrid gallia – nový materiál pro výkonovou elektroniku

Výkonové tranzistory jsou klíčovou součástkou elektrických měničů výkonu, které se obecně využívají k přeměně elektrické energie (DC/DC, DC/AC, AC/DC, AC/AC) a umožňují ji transformovat na napětí různé velikosti. Lze je nalézt jak v nabíječkách mobilních telefonů, notebooků apod., tak i v průmyslových elektrických pohonech nebo systémech pro ovládání trakčních motorů rychlovlaků ICE. Významnou úlohu mají polovodičové výkonové měniče také v automobilové elektronice. Jejich výkonnost, účinnost, rozměry a hmotnost spolurozhodují o úspěchu téměř všech tzv. zelených koncepcí ve vývoji budoucích automobilů s hybridním a elektrickým pohonem. Vedle napájení vlastního elektropohonu je zde výkonová elektronika třeba také v systémech pro rekuperaci pohybové energie, pro inteligentní nabíjení baterií nebo pro napájení moderní palubní sítě. Hlavní požadavky na vývoj přicházejí proto z automobilového průmyslu.
 
V uplynulých třech desetiletích se v polovodičových měničích výkonu používaly převážně křemíkové unipolární tranzistory MOSFET. Počínaje planárními typy se strukturou HEXFET (Hexagonal Field Effect Transistor), které v roce 1978 zavedla firma International Rectifier, až po nejmodernější typy v provedení TrenchFET a Super-Junction-FET (SJ-FET). Nyní se však křemíkové výkonové komponenty přiblížily ke svému výkonovému maximu, danému fyzikálními vlastnostmi křemíku. To znamená, že již nemohou nabídnout poměr ceny a výkonu, jaký požadují úlohy příštích generací, a každé další zvětšování jejich výkonu je nepřiměřeně nákladné.
 
Odborníci na celém světě proto hledají nové materiály a nové struktury tranzistorů jako náhradu křemíkových tranzistorů v budoucích výkonových měničích. V posledních letech se velké naděje vkládaly do použití karbidu křemíku (SiC), ale vzhledem k jeho vysoké ceně se tento materiál na trhu neprosadil. Vedle specifické struktury ceny jsou možnosti jeho využití také omezeny nedostatečnou nabídkou materiálu v potřebné kvalitě a velkou kapacitou závěrné vrstvy. Pozoruhodné materiálové vlastnosti však nabízí nitrid gallia (nitrid gallitý) GaN, který se podle odborníků může v této oblasti brzy stát nástupcem křemíku. V mikrovlnné technice se již vysokofrekvenční výkonové tranzistory na bázi nitridu gallia dokonce úspěšně používají, např. v základnových stanicích mobilních telefonních sítí.
 
Leibnizův ústav pro vysokofrekvenční techniku Ferdinanda Brauna (Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik – FBH) v Berlíně společně s partnery z dalších vědeckých pracovišť a z průmyslu v současnosti vyvíjí na bázi nitridu gallia nové tranzistory pro výkonovou elektroniku a připravuje jejich sériovou výrobu. Konečným cílem je vyvinout účinnější měniče výkonu vhodné především k použití v nově projektovaných automobilech s hybridním a elektrickým pohonem nebo ve stále výkonnějších fotovoltaických zařízeních.
 
Nitrid gallia má oproti křemíku velkou výhodu v tom, že jeho energetický pásmový odstup 3,4 eV je v porovnání s křemíkem (1,1 eV) více než trojnásobný, což umožňuje používat tranzistory na bázi GaN při vyšších teplotách. Tím klesají náklady na chlazení a zmenšují se rozměry i hmotnost měniče výkonu. Nitrid gallia má také větší průrazné napětí, a proto mohou tranzistory na bázi GaN v porovnání se stejně velkými křemíkovými tranzistory spínat vyšší napětí. Nové výkonové tranzistory z výzkumného ústavu FBH (obr. 1) dovolují např. spínat proudy velikosti několika desítek ampérů při napětích 1 000 V i více. V podstatě se tyto nové výkonové prvky vyznačují podstatným zlepšením tří důležitých funkčních parametrů – výrazným poklesem hodnoty odporu v propustném stavu, větší dosažitelnou rychlostí spínání a díky menší spotřebě energie i lepší účinností. Rovněž je možné na jeden čip z nitridu gallia umístit větší počet elektronických prvků než při použití křemíku, což je mnohdy přednost velmi důležitá. Ovšem teprve budoucnost ukáže, zda se splní předpovědi odborníků a tranzistory na bázi nitridu gallia moderní výkonovou elektroniku skutečně ovládnou.
[Galliumnitrid – das neue Material für die Leistungselektronik. Pressemitteilung, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik, 9. 12. 2009.]
Kab.
 

Obr. 1. Nový výkonový tranzistor 25 A 250 V na bázi GaN v porovnání s velikostí mince v hodnotě jednoho eurocentu (foto: FBH/Schurian)