کانال‌های گرافنی ترانزیستورهای توان بالا را خنک می‌کنند

گروهی از محققان در دانشگاه کالیفرنیا و کالج مهندسی ریورساید بورنز با کمک گرافن روشی برای خنک کردن ترانزیستورهای توان بالا ابداع کرده‌اند. آنها از کانال‌های گرافنی برای مدیریت گرمایی ترانزیستور‌های نیتریدگالیوم (GaN) توان بالا استفاده کرده‌اند.

ساخت ترانزیستورهای GaN به‌صورت تجاری از سال۲۰۰۶ پیشنهاد شده است. آنها را بواسطه عمیات ولتاژ بالا و راندمان بالایشان می‌توان در کاربردهای متنوع بی‌سیم استفاده کرد. ترانزیستورهای GaN در الکترونیک توان بالا بویژه در کاربردهای خودرو و ماشین الکتریکی مزایایی دارند. با این حال مشکل مربوط به حذف گرما کاربرد آنها را محدود کرده است. مشکل این ترانزیستورها مانند همه افزاره‌های عملیاتی توان بالا، این است که بخش قابل‌توجهی از گرمای تولید شده در افزاره پخش می‌شود که باید سریعا و به‌طور موثری حذف شود.

 بالا: تصویر میکروسکوپ نوری ترانزیستور GaN (چپ)، شمایی از کانال‌های گرافن- گرافیت روی ساختار این ترانزیستور (راست)، پایین: تصویر رنگی میکروسکوپ الکترونی پیمایشگرکانال گرافنی روی این ترانزیستور (چپ)، تصویر میکروسکوپ نوری کانال گرافنی روی الکترود این افزاره (راست).

راه‌حل‌های مدیریت گرمایی متنوعی مانند پیوند تراشه فلیپ و بسترهای کامپوزیتی پیشنهاد و بررسی شده‌اند. با این حال، هنوز افزایش دما بواسطه گرمای پخش‌شده کاربرد این فناوری مبتنی بر نیترید را محدود کرده است.

اکنون آلکساندر بالاندین و همکارانش می‌گویند که مدیریت گرمایی ترانزیستورهای GaN را می‌توان با کمک کانال‌های گرمایی جایگزینِ ساخته شده از چند لایه‌های گرافنی به‌طور اساسی بهبود داد. در این تحقیق جدید، محققان گروه بالاندین کانال‌های گرافن-گرافیتی روی ترانزیستورهای GaN طراحی کرده و ساختند. وظیفه این کانال‌های گرافن- گرافیت پخش و حذف کردن گرما از نقاط داغ بود.

آنها با استفاده از طیف‌بینی میکرورامان برای پایش درجا، نشان دادند که دمای این نقاط داغ در ترانزیستورهای عمل‌کننده در سطح‌های توان بالای حدود ۱۳ وات بر میلی‌متر از پهنایشان، را می‌توان تا حدود ۲۰ درجه سیلسیوس کاهش داد. بالاندین می‌گوید: «باید این را نیز در نظر گرفت که هنگامی که این فناوری به بلوغ برسد، هزینه کانال‌های گرافنی که اساسا از لایه‌های کربنی تشکیل می‌شوند، از هزینه فلزات استفاده در الکترونیک بسیار کمتر خواهد بود. ترسیب بخار شیمیایی گرافن و گرافن چندلایه‌ای در حال تجاری شدن است.»

شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای انجام‌شده به‌وسیله‌ی این محققان نشان می‌دهند که کانال‌های گرافنی در افزاره‌های GaN روی بسترهای مقاوم‌تر به گرما می‌توانند بهتر عمل کنند. این محققان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی Nature Communications منتشر کرده‌اند.