Dispozitivele pe bază de nanofire pot fi utilizate într-o varietate de aplicații electronice, pornind de la circuite digitale ultrascalare, la rețele de comunicații G5 și nu numai. Cu toate acestea, de obicei dispozitivele sunt limitate la aplicații de mică putere din cauza conductivității electrice relativ scăzute și a capacității limitate ale nanofirelor de a suporta tensiuni prea ridicate. Într-un studiu recent, publicat în Nature Electronics, oamenii de știință au demonstrat că nanofirele AlGaN/GaN cu bandă largă, care conțin mai multe canale bidimensionale „umplute” cu gaz de electroni, pot fi utilizate pentru a crea tranzistori tri-poartă (tri-gate) cu mobilitate ridicată a norului electronic, pentru aplicații de conversie a puterii.
Canalele multiple conduc în acest fel la o conductivitate îmbunătățită în nanofire, iar pentru a gestiona câmpul electric ridicat utilizat în studiu s-a folosit un design tridimensional de tip „placă de câmp” (field-plate design). Tot ei au demonstrat că dispozitivele de putere cu nanofire de 15 nm lățime prezintă rezistențe scăzute de 0,46 mΩ cm-2, îmbunătățiri în ceea ce privește funcționarea și comportamentul dinamic, dar și rezistă și la tensiuni (până când se rup) de până la 1300 V. Convertoarele de putere sunt acele sisteme care fac ca energia electrică să fie folosită exact așa cum știm. Ele sunt cele care ne permit să ne conectăm la laptopuri, televizoare și să le punem în funcțiune exact când dorim. Pe scurt, convertoarele de putere transformă curentul alternativ livrat de către prizele din pereți în curentul continuu de care au nevoie electronicele noastre în vederea funcționării optime.
Totuși, acest lucru presupune și pierderi energetice de până la 20% în timpul furnizării curentului continuu. Tranzistorul dezvoltat de către echipa de cercetători de la EPFL poate reduce substanțial rezistența întâmpinată, reducând astfel în mod semnificativ cantitatea de căldură disipată în sistemele de mare putere. Disiparea căldurii în convertoare se datorează, printre altele, rezistenței electrice ridicată, care reprezintă cea mai mare provocare în cadrul dispozitivelor electronice de mare putere. „Exemple ale pierderii, sub această formă, de energie electrică există foarte multe – cum ar fi atunci când încărcătorul laptopului ținut în priză se încălzește”, afirmă Elison Matioli, coautor al lucrării și șef al POWERlab de la EPFL.
Convertoarele de putere funcționează cu ajutorul tranzistorilor de putere, ce sunt componente minuscule concepute pentru a porni și opri un dispozitiv și pentru a rezista la tensiuni ridicate. Echipa de cercetători ingineri de la EPFL își propune să proiecteze noi tranzistori de putere în vederea îmbunătățirii eficienței convertoarelor (de putere). Cu designul complet nou pe care l-au pus la punct, au reușit să creeze astfel un tranzistor bazându-se pe aplicarea contraintuitivă a structurilor la scară nanometrică pentru aplicații de înaltă tensiune. Astfel, încearcă să pună bazele unei noi tehnologii, iar observațiile făcute certifică viabilitatea a ceea ce au pus la punct.
Au observat că se pierde mult mai puțină căldură în timpul procesului de conversie, ceea ce face ca tranzistorii să fie nu doar eficienți pentru aplicații de mare putere, cum ar fi vehiculele electrice și panourile solare, ci și scalabili pentru toate tipurile de aplicații, cu reducerea pierderilor energetice. O problemă și mai mare se înregistrează în cazul aplicațiilor de mare putere: „Cu cât tensiunea nominală a componentelor semiconductoare este mai mare, cu atât rezistența este mai mare”. De exemplu, pierderile de putere scurtează autonomia vehiculelor electrice și reduc eficiența sistemelor care se bazează pe energia regenerabilă, însă folosind noii nanotranzistori integrați, eficiența energetică și randamentul ar fi îmbunătățite foarte mult și, implicit, funcționalitatea aparaturii ar fi una mult mai bună.
Matioli, împreună cu studentul său doctorand, Luca Nela, și restul echipei, au reușit să dezvolte un tranzistor care poate reduce substanțial rezistența și cantitatea de căldură disipată în sisteme de mare putere. Mai clar, acesta are o rezistență înjumătățită față de cea a tranzistorilor uzuali, convenționali, suportând, în același timp, tensiuni de peste 1000 V. Tehnologia dezvoltată de către cei de la EPFL încorporează două inovații cheie:
- Prima inovație presupune construirea mai multor conductoare în componenta structurală a cipului, astfel încât să distribuie fluxul de curent (în mod asemănător, să zicem, în care sunt construite noi benzi pe o autostradă, permițând ca traficul să fie mult mai fluid și prevenind ambuteiajele). „Designul nostru cu mai multe canale împarte fluxul de curent în mod egal, reducând rezistența și evitând, pe cât este posibil, supraîncălzirea”, afirmă Luca Nela.
- Cea de-a doua inovație implică utilizarea de nanofire realizate din nitrură de galiu, care este un semiconductor binar III/V utilizat, în mod obișnuit, în diodele ce emit lumină albastră și care este ideal pentru aplicații energetice. Nanofirele sunt deja utilizate în cipuri de mică putere (folosirea lor nu este, neapărat, o inovație) cum ar fi cele din laptopuri și smartphone-uri, dar nu și în aplicații care necesită înaltă tensiune. Cei de la POWERlab au reușit să facă uz de nanofire cu un diametru de 15 nm și o structură unică, în formă de pâlnie, permițându-le să suporte câmpuri electrice puternice și tensiuni de 1000 de V, fără a se deteriora, rupe.
Datorită combinației dintre aceste două inovații, adică designul cu mai multe canale ce permite circulația mai multor electroni și structura în formă de pâlnie care sporește rezistența specifică a nanofirelor integrate – tranzistorii pot asigura randamente de conversie mult mai mari, înainte de toate în sistemele de mare putere. „Prototipul pe care l-am construit atunci când am folosit nanofire înclinate are performanțe de două ori mai bune decât cele mai bune dispozitive GaN, de putere, din literatura de specialitate”, spune Matioli. Mulți producători importanți au început să-și exprime interesul evident de a colabora cu Matioli pentru a dezvolta în continuare această tehnologie nou inventată de către echipa de cercetători de la EPFL.
Deși tehnologia echipei de cercetători ingineri se află încă în fază experimentală, ei sunt de părere că nu ar trebui (cel puțin teoretic) să existe impedimente majore pentru producția la scară largă. „Adăugarea mai multor canale este, de fapt, o idee destul de banală, iar diametrul nanofirelor folosite este de dublu față de cel al tranzistorilor mici fabricați, de exemplu, de către Intel”, a mai afirmat Matioli. În prezent, echipa de cercetători a depus mai multe brevete pentru invenția lor. Cererea de cipuri care pot funcționa eficient la tensiuni foarte înalte sigur va fi tot mai mare, pe măsură ce mașinile electrice vor începe să fie utilizate la scară largă, accesibilă, pentru că „cipuri mai eficiente” înseamnă, implicit, „autonomii mai mari și mai bune”.
