耐压能力超商用器件5倍!新型晶体管有望用于电动汽车等领域
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2026-09-03 18:01:07

瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员开发出一种新型氮化镓晶体管,耐压能力接近4000伏,同时保持较低电阻。这一器件有望用于人工智能(AI)数据中心、可再生能源系统、电动汽车等高压电力电子领域。相关研究发表于新一期《自然·电子学》杂志。

研究人员开发的内禀极化超结晶体管。图片来源:瑞士洛桑联邦理工学院

晶体管是电子设备中控制电流通断的开关。几十年来,这类器件主要采用硅材料制造。近年来,氮化镓凭借体积小、效率高等优势,逐渐被用于手机充电器等电子设备。不过,在高电压下,氮化镓晶体管内部的电场容易集中在局部区域,使器件提前失效。因此,与硅器件相比,现有氮化镓器件的耐高压能力仍存在一定差距。目前商用氮化镓功率器件的击穿电压通常为600至650伏。

为突破这一瓶颈,研究人员开发出一种名为“内禀极化超结”的新型氮化镓晶体管。该器件由多层氮化镓材料构成,并以低成本硅作为衬底。氮化镓具有独特的晶体结构,其内部极化效应能够使电子聚集形成薄层,从而传导电流。但在传统氮化镓晶体管中,当器件关闭时,电子离开电流通道,留下的正电荷容易造成电荷失衡,使电压集中在局部区域,形成强电场并引发击穿。

研究人员利用氮化镓自身的极化特性,在电子层旁边自然形成一层正电荷,并通过调节材料层厚度,让正负电荷保持平衡。这样一来,晶体管关闭时,电荷不会集中在某个位置,电压能够更加均匀地分布在整个器件上,从而降低局部电场过强导致击穿的风险。测试显示,新型晶体管的耐压能力接近4000伏,超过商用氮化镓功率器件5倍。同时,该器件仍保持较低的导通电阻,有助于减少电能转换过程中的损耗和发热。

高耐压和低电阻对于下一代电力电子设备都十分重要。AI数据中心、可再生能源系统,以及电动汽车等设备,都需要功率电子器件在较高电压下稳定工作,同时尽可能减少能量损耗。此外,新型晶体管也不需要采用传统的化学掺杂方式控制电荷。

来源:科技日报

作者: 张佳欣

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