Efficiënte mosfets ontwikkeld met alternatief halfgeleidermateriaal

Een medewerker van het Rensselaer Polytechnic Institute heeft met alternatief halfgeleidermateriaal de karakteristieken van mosfets weten te verbeteren. Hij verving silicium door galliumnitride.

Mosfets schakelen elektronische signalen en worden gebruikt in een groot aantal apparaten, waaronder computerapparatuur zoals moederborden. In een reguliere metal-oxide-semiconductor field-effect transistor wordt de rol van het metaal doorgaans vervuld door silicium. Een alternatief halfgeleidermateriaal, galliumnitride, heeft elektrische eigenschappen die het zeer geschikt maken voor toepassingen waar met hoge stromen en hoge frequenties gewerkt wordt. Tot dusverre werd het materiaal echter niet in mosfets ingezet, maar werden GaN-transistors onder meer in versterkers en laserdiodes gebruikt. Weixiao Huang, van het Rensselaer Polytechnic Institute, verving echter het in mosfets gebruikelijke silicium door galliumnitride en ontwikkelde zo efficiëntere transistors.

De 'ganmosfets' zouden volgens Huang minder energie verliezen bij het schakelen van stromen en de transistors zelf zouden onder extremere omstandigheden functioneren. Het nieuwe type transistor zou tegen hogere temperaturen bestand zijn dan zijn op silicium gebaseerde voorganger en chips met de ganmosfets zouden kleiner kunnen worden en minder energie verbruiken. Bovendien zou het halfgeleidermateriaal voor verregaande integratie van componenten op een chip kunnen zorgen, aldus de op 17 mei promoverende Huang. De met galliumnitride gemaakte mosfets moeten hun weg in een wijd spectrum elektronica gaan vinden: de transistors worden onder meer veelvuldig in transformators gebruikt.

Reacties (16)

[fevenhuis]

Ik erger me een beetje aan het gebruik van het woordje "efficiënt", dat tegenwoordig te pas en te onpas wordt gebruikt. Procentuele verbeteringen zijn tegenwoordig al "efficiënt" en ook gelijk beter voor het mileu, ja theoretisch wel ja, maar het blijven vaak leuke naampjes om de kopers het gevoel te geven dat er echt wat nuttigs gebeurt, maar dat het verder in het grote plaatje geen bal uitmaakt, omdat het verbruik van nieuwe apparatuur over het algemeen doodleuk blijft stijgen.
Ik ben dus benieuwt hoe efficiënt deze verbetering zich nou werkelijk naar een echte doorbraak in de wereld van efficiëntiëen vertaalt.

[Reactie gewijzigd door fevenhuis op 29 juli 2024 12:23]

[Durandal]

@N!co:

.. vaak met een gelijkrichter en spanningsregelaar en hier een daar een transistor. Geen idee wat daar hoogfrequent aan is trouwens.

edit: tenzij ze geschakelde voedingen gebruiken

[Reactie gewijzigd door Durandal op 29 juli 2024 12:23]

[uflex]

De efficiency van schakelende voedingen heeft alles met hoge freqenties te maken.

De Mosfet werkt als een schakelaar, die kortstondig stroom door een combinatie van een spoel en condensator jaagt. Hierdoor komt de gewenste transformatie van spanningen tot stand.

Het vermogensverlies wat hierbij optreedt is (linear) afhankelijk van de snelheid waarmee de Mosfet van áán-naar-uit schakelt en visa versa.
Het vermogensverlies is P = U x I. Wanneer de schakelaar open staat loopt er geen stroom door de Mosfet en is I dus nul. (en dus ook het product P= U x I) Omgekeerd, wanneer de schakelaar dicht staat, staat er geen spanning over de Mosfet en is U nul. In beide situaties wordt er geen energie verbruikt door de Mosfet omdat danwel de spanning over de Mosfet nul is (aan) , danwel de stroom door de Mosfet (uit).

(In de praktijk is dat niet helemaal waar omdat er een altijd een kleine On-Resistance is en een hoge -maar niet oneindige Off-Resistence-, maar die factor in het totale vermogensverlies blijft klein).

Bij de overgang van aan-naar-uit en omgekeerd is de situatie echter anders en bestaat er een zeker product aan spanning en stroom. Schakelde (mos-) fet's hebben dus alleen tijdens de overgangen een reëel energieverlies. Dit probeert men zo klein mogelijk te laten zijn door het erg snel te doen.

De afsnijfreqentie (maximale snelheid) van deze Mosfets is dus bij voorkeur vele malen hoger dan de frequentie waarmee ze feitelijk schakelen; alleen om die flankstijlheid te bereiken die een laag verlies oplevert.

En daardoor kunnen onderdelen koeler en kleiner zijn en kan de PC-fabrikant dan weer zo'n Energy Green 80+ stickertje op je PC plakken.

[Reactie gewijzigd door uflex op 29 juli 2024 12:23]

[Verwijderd]

Exact! Daarbij is de inwendige weerstand van de FET tijdens "aan" ook niet helemaal 0 Ohm. Als deze halfgeleider tijdens "aan" een lagere inwendige weerstand heeft dan Si, kan dat met name bij heel hoge stromen nog veel uitmaken....

[N!co]

de transistors worden onder meer veelvuldig in transformators gebruikt.

? Transformator is een kern met een bonk koper... ?

[uflex]

Ik denk dat hier bedoeld wordt "Schakelende voedingen".

[AlexanderB]

voedingen

[Verwijderd]

Een alternatief halfgeleidermateriaal, galliumnitride, heeft elektrische eigenschappen die het zeer geschikt maken voor toepassingen waar met hoge stromen en hoge frequenties gewerkt wordt.

De eerste toepassing die me te binnen schiet is gebruik in zendapparatuur.

Ik ben benieuwd hoe dit zich verder gaat ontwikkelen. Minder energieverliezen (dat kan dus voor minder warmteontwikkeling zorgen) en ook nog bij hoge frequenties is ook een zeer gunstige eigenschap, zeker voor computergerelateerde toepassingen.
Daarbij komt nog dat deze schakeiing ook bij hogere temperaturen betrouwbaar zou
werken.

Mooie ontwikkeling!

[bart0l0meus]

zendapparatuur?
je hoort hogefrequenties en denk aan zendapparatuur?
ik denk dat vooral de kleinere warmteontwikkeling een mooie bijkomstigheid is! kijk maar naar de mosfets die de spanning van je cpu stabielhouden, hoe worden ze worden hoe onstabieler de spanning! Verder is dit ook een mooie techniek omdat mosfets over het algemeen niet 100% worden opengestuurd wat resulteerd in een grotere weerstand en een groter energieverbruik, wat nu allemaal minder zal worden dankzij deze prachtige techniek! Ik werk vele met mosfest, dus kan niet wachten om er zo een in handen te krijgen!

[The__Virus]

Er staat helaas niets over de snelheden, misschien kunnen ze geen hoge snelheden aan, dat zou weer jammer zijn. Maar wel prachtig dat er nog rek zit in de huidige technologie!

[Verwijderd]

Quote uit artikel:
Een alternatief halfgeleidermateriaal, galliumnitride, heeft elektrische eigenschappen die het zeer geschikt maken voor toepassingen waar met hoge stromen en hoge frequenties gewerkt wordt.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 29 juli 2024 12:23]

[bart0l0meus]

nerd, hoge frequentie != hoge snelheid!
beter gezegd hoge snelheid == hoge stroom (stroom is de snelheid van de elektronen)
hoge frequentie betekend in dit geval hoe snel een mosfet kan omschakelen tussen in virtuele 1 en 0!

[boner]

kan GaN hetzelfde bieden als GaAs? Dat kon veul hogere frequenties aan dan Si of Ge. Allees is As een beetje giftig en daardoor wordt GaAs bijna nergens gebruikt.

[twabi2]

Olie is ook giftig, en toch wordt het overal gebruikt (plastiek, brandstof, vaseline, spiritus, ...), en zo zijn er nog wel meer dingen. Daarnaast gaat het hier niet over zuiver As, maar over As in een binding (zal ook wel giftig zijn, maar een molecule wordt niet giftig omdat er 1 gevaarlijk atoom inzit).
Je argument gaat dus niet echt op

[bigbadbull]

Huh ?

Snap er niets meer van

Die element eigenschappen tussen Si & Ga zijn al jaren bekend, waarom nu pas deze ontwikkeling /melding. Denk dat dat zelfs in de hoe en waarom reeks deel elektronica staat.
En die reeks is al tientallenjaren uit de handel.

Dacht dat Ga te duur was om en-masse te produceren. Is dit dan eindelijk opgelost ?