Les nouveaux nanotransistors gardent leur froid aux hautes tensions

Les nouveaux nanotransistors gardent leur froid aux hautes tensions

Le transistor développé par les chercheurs de l’EPFL peut réduire considérablement la résistance et réduire la quantité de dissipation thermique dans les systèmes à haute puissance. Crédit: © EPFL

Les convertisseurs de puissance sont les systèmes peu connus qui rendent l’électricité si magique. Ce sont eux qui nous permettent de brancher nos ordinateurs, lampes et télévisions et de les allumer en un clin d’œil. Les convertisseurs transforment le courant alternatif (CA) qui sort des prises murales en le niveau exact de courant continu (CC) dont notre électronique a besoin. Mais ils ont aussi tendance à perdre, en moyenne, jusqu’à 20% de leur énergie dans le processus.

Les convertisseurs de puissance fonctionnent à l’aide de transistors de puissance, de minuscules composants semi-conducteurs conçus pour s’allumer et s’éteindre et résister à des tensions élevées. Concevoir de nouveaux transistors de puissance pour améliorer l’efficacité des convertisseurs est l’objectif de l’équipe d’ingénieurs de l’EPFL. Avec leur toute nouvelle conception de transistors, basée sur l’application contre-intuitive de structures à l’échelle nanométrique pour les applications haute tension, beaucoup moins de chaleur est perdue pendant le processus de conversion, ce qui rend les transistors particulièrement bien adaptés aux applications à haute puissance comme les véhicules électriques et les panneaux solaires. Leurs résultats viennent d’être publiés dans Electronique Nature.

La dissipation thermique dans les convertisseurs est causée par la résistance électrique élevée, entre autres facteurs, qui est le plus grand défi des appareils électroniques de puissance. «Nous voyons des exemples de pertes d’électricité chaque jour, comme lorsque le chargeur de votre ordinateur portable chauffe», explique Elison Matioli, co-auteur du journal et responsable du POWERlab de l’EPFL.

Cela devient encore plus problématique dans les applications à haute puissance. « Plus la tension nominale des composants semi-conducteurs est élevée, plus la résistance est élevée », ajoute-t-il. Les pertes de puissance raccourcissent l’autonomie des véhicules électriques, par exemple, et réduisent l’efficacité des systèmes d’énergie renouvelable.

Matioli, avec son doctorat. L’étudiant Luca Nela et son équipe ont développé un transistor qui peut réduire considérablement la résistance et réduire la quantité de dissipation thermique dans les systèmes à haute puissance. Plus précisément, il a moins de la moitié de la résistance des transistors conventionnels, tout en conservant des tensions de plus de 1000 V. La technologie EPFL intègre deux innovations clés.

La première consiste à construire plusieurs canaux conducteurs dans le composant afin de répartir le flux de courant, tout comme les nouvelles voies ajoutées à une autoroute pour permettre une circulation plus fluide et éviter les embouteillages. «Notre conception multicanal divise le flux de courant, réduisant la résistance et la surchauffe», déclare Nela.

La deuxième innovation consiste à utiliser des nanofils en nitrure de gallium, un matériau semi-conducteur idéal pour les applications électriques. Les nanofils sont déjà utilisés dans les puces de faible puissance, comme celles des smartphones et des ordinateurs portables, et non dans les applications haute tension. Le POWERlab a démontré des nanofils d’un diamètre de 15 nm et d’une structure unique en forme d’entonnoir leur permettant de supporter des champs électriques élevés et des tensions supérieures à 1 000 V sans se décomposer.

Grâce à la combinaison de ces deux innovations – la conception multicanal qui permet à plus d’électrons de circuler et la structure en entonnoir qui améliore la résistance des nanofils – les transistors peuvent offrir une plus grande efficacité de conversion dans les systèmes à haute puissance. «Le prototype que nous avons construit à l’aide de nanofils inclinés est deux fois plus performant que les meilleurs dispositifs d’alimentation GaN de la littérature», déclare Matioli.

Alors que la technologie des ingénieurs est encore en phase expérimentale, il ne devrait pas y avoir d’obstacles majeurs à la production à grande échelle. «Ajouter plus de canaux est une question assez triviale, et le diamètre de nos nanofils est deux fois plus grand que les petits transistors fabriqués par Intel», explique Matioli. L’équipe a déposé plusieurs brevets pour leur invention.

La demande de puces capables de fonctionner efficacement à haute tension est appelée à exploser à mesure que les véhicules électriques sont de plus en plus largement adoptés, car des puces plus efficaces se traduisent directement par des portées plus longues. Plusieurs grands fabricants ont exprimé leur intérêt à s’associer à Matioli pour développer davantage cette technologie.


Refroidissement intégré par transistor pour une puce plus puissante


Plus d’information:
Dispositifs à nanofils multicanaux pour une conversion de puissance efficace, Electronique Nature (2021). dx.doi.org/10.1038/s41928-021-00550-8

Provided by
Ecole Polytechnique Federale de Lausanne

Citation: Les nouveaux nanotransistors gardent leur froid aux hautes tensions (2021, 25 mars) récupéré le 13 avril 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-03-nanotransistors-cool-high-voltages.html

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