Leistungstransistoren sind die elementaren Bauelemente elektronischer Leistungskonverter, die Gleich- und Wechselstrom auf unterschiedliche Spannungen transformieren. Das EU-Projekt HiPoSwitch will nun diese mit Galliumnitrid statt Silizium energieeffizienter, kompakter und leistungsfähiger machen. Dies könnte auch die Umwandlung von Solarenergie verbessern.
Das vom Ferdinand-Braun-Institut koordinierte EU-Projekt HiPoSwitch beschäftigt sich in den kommenden drei Jahren mit neuartigen Galliumnitrid-basierten Transistoren. Sie sollen bei künftigen Leistungskonvertersystemen für weniger Volumen und Gewicht bei gleichzeitig höherer Leistungsfähigkeit sorgen. Die Effizienz derzeitiger Systeme wird in der Regel durch die verwendeten aktiven Schaltelemente begrenzt. Heutzutage kommen meist Komponenten auf der Basis von Silizium oder Siliziumkarbid zum Einsatz. Die Silizium-Technologie ist mittlerweile jedoch so weit fortgeschritten, dass das Material selbst an seine Grenzen stößt, oder, wie im Fall von Siliziumkarbid, sehr teuer ist.
Galliumnitrid (GaN) hat gegenüber Silizium einen entscheidenden Vorteil: Es hat einen hohen Bandabstand von 3,4 Elektronenvolt gegenüber 1,1 Elektronenvolt bei Silizium. Mit GaN-basierten Bauelementen können Leistungsschalter damit bei deutlich höheren Frequenzen betrieben werden, ohne signifikante Schaltverluste in Kauf nehmen zu müssen. Der geringere Einschaltwiderstand von GaN-Leistungstransistoren und die signifikant reduzierten Ein- und Ausgangskapazitäten führen so zu einem deutlich verbesserten Schaltverhalten. Mit höherer Schaltfrequenz lassen sich GaN-Transistoren auch bei höheren Temperaturen betreiben. Der Kühlaufwand sinkt und Gewicht und Baugröße der passiven Komponenten wie Spulen, Stromwandler und Kondensatoren verringern sich. Die Baugruppe wird insgesamt kleiner. Die Transistoren können dann auf kostengünstigen Silizium-Substraten aufgebaut werden und sind daher auch aus wirtschaftlicher Sicht interessant. So könnten deutlich bessere technische Eigenschaften mit vergleichsweise günstigen Kosten verbunden werden.
Niedriger Energieverbrauch und hohe Leistungen sind die zentralen Anforderungen an moderne Leistungskonvertersysteme. Sie sollen Ressourcen schonen und zugleich immer höhere Datenmengen verarbeiten. Leistungstransistoren sind in beinahe jedem technischen Gerät zu finden; im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologien spielen sie etwa in Mobilfunkbasisstationen eine zentrale Rolle. Weitere Anwendungsbereiche sind Gleich-/Wechselstromversorgungen für Computer, Netzwerke und Speicher sowie Solarwandler, Elektro- und Hybridfahrzeuge.