Diamanttransistoren

Leistungselektronik INSIDER

Forscher der Arizona State University und Northrop Grumman arbeiten an einem neuen Projekt zur Herstellung von Leistungstransistoren aus Diamant. Die Ergebnisse könnten zu Effizienzsteigerungen führen, die die Größe der Umspannwerke des Stromnetzes erheblich verkleinern und möglicherweise die Kosten für Mobilfunkmasten senken.

Leistungstransistoren werden traditionell aus Silizium hergestellt. Aber das ASU Advanced Materials-Team untersucht in Zusammenarbeit mit Northrop Grumman Mission Systems Diamant, weil er Wärme acht- bis zehnmal effizienter ableitet als aktuelle Materialien. Das bedeutet, dass die Größe von Leistungstransistoren um 90 Prozent reduziert werden könnte, wenn das Potenzial von Diamant voll ausgeschöpft würde.

Diamant hat außerdem ein hohes Durchschlagsfeld, was bedeutet, dass es im Vergleich zu den meisten anderen Materialien einer großen Spannung standhalten kann, bevor es ausfällt. Ein hohes Durchbruchfeld ist ideal für Anwendungen, die große Strommengen verarbeiten, was diese neuen Transistoren zu einem entscheidenden Faktor für den Übergang zu erneuerbaren Energien und die Elektrifizierung des Transportsektors machen könnte.

Silizium ist seit langem das Standardmaterial für Halbleiterbauelemente. Leistungstransistoren regeln den Stromfluss und werden traditionell aus Silizium hergestellt, während fortschrittlichere moderne Transistoren aus Materialien wie Siliziumkarbid oder Galliumnitrid bestehen.

Trevor Thornton, Professor für Elektrotechnik an den Ira A. Fulton Schools of Engineering der Arizona State University, leitet ein Team, das den Einsatz von zwei neuen Transistormaterialien erforscht: Diamant und Bornitrid.

Während Diamant das vom Forschungsteam gewählte Material für den Hauptkörper eines Transistors ist, untersuchen sie die Verwendung von Bornitrid für die elektrischen Kontakte der Transistoren. Bornitrid hat wie Diamant ein hohes Durchschlagsfeld und eine hohe Wärmeleitfähigkeit.

Das Forschungsteam erwartet, dass sie durch die Kombination ihres Wissens über die Funktionsweise von Diamant und Bornitrid als Transistormaterialien Transistoren aus beiden Materialien herstellen können. Die Hoffnung des Teams ist, dass sich die Materialien ergänzen und zusammen noch besser funktionieren als einzeln.

Diese Forschung bietet Anwendungen, die besonders für Kommunikationstechnologien nützlich wären. Viele Satelliten werden beispielsweise mit Solarenergie betrieben, was Transistoren erfordert, um den Strom in eine für den Satelliten nutzbare Form umzuwandeln.

„Man kann kein Umspannwerk in den Weltraum schicken“, sagte Thornton. „Jede Verbesserung der Größe und des Gewichts eines Satelliten hat also enorme Auswirkungen.“

Andere Kommunikationstechnologien, die die Transistoren verbessern könnten, liegen etwas näher bei uns: Mobilfunkmasten. Transistoren wandeln Strom in die richtige Form um, die zur Erzeugung der von Mobiltelefonen verwendeten Funkfrequenzen erforderlich ist.

Thornton sagte, dass eine der größten Herausforderungen beim Entwurf und Betrieb von Mobilfunkmasten darin bestehe, sie kühl zu halten. Dies ist insbesondere in einer heißen Umgebung wie Phoenix der Fall.

Die Leistungstransistoren in älteren Mobilfunkmasten bestehen typischerweise aus Silizium, während diejenigen in neueren 5G-Systemen Galliumnitrid verwenden. Dank ihrer verbesserten Wärmeableitung erwartet Thorntons Team, dass Transistoren aus Diamant und Bornitrid die Kühlleistung von Mobilfunkmasten erheblich reduzieren werden. Dies macht es wesentlich einfacher, Mobilfunkmasten vor Überhitzung zu schützen.

Während sich das Projekt mit Northrop Grumman Mission Systems auf Kommunikationstechnologie konzentriert, finden Transistoren aus Diamant und Bornitrid auch Anwendung bei der Energieumwandlung für elektrische Systeme und für das Stromnetz. Diese effizienteren Materialien könnten die Größenanforderungen für Umspannwerke des Stromnetzes verringern. Umspannwerke nehmen typischerweise eine Fläche von der Größe eines Gebäudes ein. „Wir möchten sie kleiner und effizienter machen“, sagte Thornton.

Robert Nemanich, Fakultätsmitglied der ASU-Abteilung für Physik, leitet eine Gruppe namens ULTRA Energy Frontier Research Center, die Forschung zur Leistungselektronik durchführt. Er leitet außerdem ein Labor zur Züchtung von künstlichem Diamantmaterial, das Thorntons Team bei seiner Forschung verwenden wird. „Seit zehn Jahren bauen wir Diamanten für elektronische Geräte an“, sagte Nemanich. „Wir glauben, dass unser Diamantabscheidungslabor über einzigartige Fähigkeiten für die Entwicklung elektronischer Materialien und Geräte verfügt.“

Zusätzlich zu Thorntons Fachwissen in der Elektrotechnik und Nemanichs Arbeit mit Diamant als elektronischem Material stellt Terry Alford, ein weiteres Fakultätsmitglied der Fulton Schools, sein Fachwissen in den Materialwissenschaften zur Verfügung. Alford arbeitet an der Materialcharakterisierung und analysiert die Eigenschaften der Materialien, die das Team untersucht. Er leitet auch einen Teil der Forschung, die sich mit der Verwendung neuartiger metallischer elektrischer Kontakte befasst, die mit Diamant als Substrat verbunden sind.

Das Transistorforschungsprojekt wird durch die Partnerschaft mit Northrop Grumman Mission Systems für zwei Jahre finanziert. Allerdings könnte es laut Thornton länger dauern, bis das Potenzial der Transistoren für weitreichende Anwendungen voll ausgeschöpft sei.

„Wir werden Durchbrüche erzielen, aber ich glaube nicht, dass es in den nächsten fünf bis zehn Jahren so weit verbreitet sein wird, wie wir es uns vorstellen“, sagt er. „Es handelt sich um diese Art der mittel- bis langfristigen Forschung, bei der einige Anwendungen schneller umgesetzt werden, während andere bei weit verbreiteten Verbraucheranwendungen zehn Jahre dauern werden.“

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