خبر ترانزیستورها پرسرعت با مصرف کمتر

[am in 25,041]

ترانزیستورها، قطعات بنیادین الکترونیکی همواره نشتی و اتلاف انرژی داشته اند و در نتیجه انرژی مصرف میکنند. تحقیقات انجام شده توسط دانشگاه های ETH Zurich و EPF Lausanne منجر به تولید ترانزیستورهایی با سرعت سوئیچینگ بالا و همچنین توان خروجی بیشتر شده است. این قطعات از ترانزیستورهایی که تاکنون ساخته می شدند بهینه تر هستند، یعنی انرژی مصرفی کمتر و انتشار CO2 کمتری خواهند داشت.

تخصص پروفسور بلوگِنسی از دانشگاه ETH Zurich و تیم تحقیقاتیش در طراحی و توسعه ترانزیستورهای پرسرعت برای بهره گیری در سیستمهای تبادل اطلاعات با سرعت بالا و انتقال بهینه میباشد. برای رسیدن به این هدف، الکترونها باید با بیشترین سرعت در قطعه نیمه هادی حرکت نمایند. سال گذشته گروه پروفسور بلوگِنسی رکورد خود را با ترانزیستوری با نام HEMT (ترانزیستور با موبیلیتی بالا) بر پایه نیترید آلومینیوم و گالیم ((AlGaN که بر روی زیرلایه سیلیکونی نفوذ داده شده اند ارتقا داد. قبل از این فناوری های مشابه فرکانس قطع 28 گیگاهرتز را نشان میدادند اما ترانزیستورهای ساخته شده توسط این تیم فرکانس قطعی تا 108 گیگاهرتز را به خود اختصاص داده است.

 

 

گروه پروفسور بلوگِنسی هم اکنون با گروه تحقیقاتی پروفسور گرندجین (استاد فیزیک در دانشگاه EPF Lausanne) همکاری میکنند. این گروه تحقیقاتی به یک ماده جدید برای بهینه سازی دست پیدا کرده اند. به جای استفاده از نیترید آلومینیوم و گالیم، آنها از یک ماده جدید متشکل از نیترید آلومینیوم و ایندیوم ((AlInN استفاده کردند. فایده این ترکیب جدید در گاف انرژی ممنوعه بسیار بزرگتر آن از آنچه در نیمه هادی های امروزی دیده میشود است.

نیمه هادی هایی که دارای گاف انرژی بزرگ میباشند میتوانند در تولید ترانزیستورهایی که (بر خلاف ترانزیستورهای تولید شده از مواد نیمه هادی با گاف کمتر مانند سیلیسیوم) در دما ولتاژ و توانهای بالاتر کار میکنند استفاده شوند. آزمایش های انجام شده حاکی از آن است که ترانزیستورهای HEMT ساخته شده از AlGaN و AlInN میتوانند در دمای 1000 درجه سانتی گراد به درستی کار کنند، این دما بسیار بیش از آنچه است که در مورد ترانزیستورهای سیلیکونی داریم.

تا به امروز ترانزیستورهای AlInN/GaN کم سرعت تر از ترانزیستورهای هم نوع خود یعنی AlGaN/GaN بوده اند اما محققان این مشکل را از سر راه برداشتند. رکورد قبلی این تیم اندازه گیری فرکانس قطع 102 گیگاهرتز برای ترانزیستورهای AlInN/GaN ساخته شده بر بروی زیرلایه سیلیکونی بود که این رکورد با تست فرکانس قطع ترانزیستورهای AlInN/GaN ساخته شده بر روی کاربید سیلیسوم را شکسته شد. در قدم اول آنها فرکانس قطع را با 41 درصد افزایش تا 144 گیگاهرتز رساندند. پروفسور بلوگِنسی میگوید: "این پیشرفت بسیار بزرگی است. تصور کنید یک قهرمان دو، دوی صد متر را با سرعت 40 درصد بیشتر بدود." در زمان انتشار این خبر، پروفسور بلوگِنسی اعلام کرد که در آزمایشگاه، تیم تحقیقاتیش فرکانس قطع 200 گیگاهرتز را اندازه گیری کردند و این تمامی رکوردها را در این حوزه کاری شکسته است.

یک کاربرد تجاری از اینگونه ترانزیستورها میتواند در تقویت کننده های قدرت برای راه اندازی آنتن های فرستنده بیسیم باشد. در اینگونه کاربردها، ترانزیستورهای نیترید گالیم، به دلیل فرکانس کاری بالای خود میتواند به کاهش هزینه انرژی نیز کمک نماید. به عنوان مثال یک اپراتور تلفن همراه که از تقویت کننده های قدرت قدیمی استفاده میکند و 10000 ایستگاه فرستنده دارد، سالانه حدوداً 30 مگاوات برق مصرف میکند و 100000 تن CO2 نیز بیرون خواهد داد. نزدیک به 80 درصد از این انرژی مصرف شده به گرما تبدیل میشود و اگر ایستگاه فرستنده مجهز به سیستم های تهویه نیز باشد، این مقدار افزایش پیدا خواهد نمود.

با استفاده از ترانزیستورهای نیترید گالیم، اپراتورهای تلفن همراه میتوانند مصرف انرژی خود را به مراتب کاهش داده و تولید CO2 را چند ده هزار تن کاهش دهند. توجه داشته باشید که چند ده هزار تن دی اکسید کربن مقدار کمی نیست. 10000 تن دی اکسید کربن برابر CO2 تولیدی 5000 خودرو امروزی که سالانه 10000 کیلومتر مسافت طی میکند میباشد. برای یک مثال هم باید گفت در سوئیس حدود 11000 ایستگاه فرستنده موبایل قرار گرفته است.

پروفسور بلوگِنسی معتقد است که ترانزیستورهای گالیوم نیتریدی بازدهی ایستگاه های فرستنده موبایل را از مقدار امروزی خود که بین 15 تا 20 درصد است به حدود 60 درصد خواهند رساند.

این محققان که با نتایج بدست آمده از آزمایشات اخیر خود ترغیب شده اند، با اشتیاق زیاد به کار خود برای بهبود کارکرد ترانزیستورها ادامه خواهند داد.

مترجم : محمد بابائی

منبع:Science Daily