Написано AZoNano 2020

Люди любят свои электромобили. Но не столько громоздкие батареи и связанные с ними энергосистемы, которые занимают драгоценное грузовое пространство.

Помощь может быть на пути к транзистору на основе оксида галлия, разрабатываемому в университете в Буффало.

В исследовании, опубликованном в июньском выпуске Электронных букв устройства IEEE инженеры-электрики описывают, как крошечный электронный переключатель может выдерживать напряжение более 8000 вольт, что является впечатляющим достижением, учитывая, что он примерно такой же тонкий, как лист бумага.

Транзистор может привести к созданию более мелких и более эффективных электронных систем, которые контролируют и преобразуют электроэнергию – область исследований, известная как силовая электроника, – в электромобилях, локомотивах и самолетах. В свою очередь, это может помочь улучшить, насколько далеко могут проехать эти машины.

«Чтобы действительно продвинуть эти технологии в будущее, нам нужны электронные компоненты следующего поколения, которые могут выдерживать большие силовые нагрузки без увеличения размера систем силовой электроники», говорит ведущий автор исследования, Уттам Сингисетти , который добавляет, что транзистор может также принести пользу микросетевым технологиям и полупроводниковым трансформаторам.

Сингисетти, доктор философии, доцент кафедры электротехники в Школе инженерных и прикладных наук УБ, а также студенты в его лаборатории изучали потенциал оксида галлия, в том числе в предыдущих работах по исследованию транзисторов, изготовленных из материала.

Возможно, главная причина, по которой исследователи исследуют потенциал оксида галлия для силовой электроники, – это свойство, известное как «запрещенная зона».

Пропускная способность измеряет, сколько энергии требуется, чтобы вывести электрон в проводящее состояние. Системы, изготовленные из материалов с широкой запрещенной зоной, могут быть тоньше, легче и выдерживать большую мощность, чем системы, изготовленные из материалов с более низкой запрещенной зоной.

Ширина запрещенной зоны оксида галлия составляет около 4,8 электрон-вольт, что ставит его в число элитных групп материалов, которые, как считается, имеют сверхширокую запрещенную зону.

Ширина запрещенной зоны этих материалов превышает кремниевую (1,1 электрон-вольт), наиболее распространенного материала в силовой электронике, а также потенциальные заменители кремния, включая карбид кремния (около 3,4 электрон-вольт) и нитрид галлия (около 3,3 электронов). вольт).

Ключевое новшество в новом транзисторе вращается вокруг пассивации, которая представляет собой химический процесс, который включает нанесение покрытия на устройство для снижения химической реактивности его поверхности. Для этого Singisetti добавил слой SU-8, полимер на эпоксидной основе, широко используемый в микроэлектронике.

Результаты были впечатляющими.

Испытания, проведенные всего за несколько недель до того, как пандемия COVID-19 временно закрыла лабораторию Сингисетти в марте, показывают, что транзистор может выдержать 8032 Вольт до разрушения, что больше, чем аналогично разработанные транзисторы, изготовленные из карбида кремния или нитрида галлия, которые находятся в разработке.

«Чем выше напряжение пробоя, тем большую мощность может выдержать устройство», – говорит Сингисетти . «Слой пассивации – это простой, эффективный и экономически эффективный способ повышения производительности транзисторов на основе оксида галлия».

Моделирование предполагает, что транзистор имеет напряженность поля более 10 миллионов вольт (или 10 мегавольт) на сантиметр. Напряженность поля измеряет интенсивность электромагнитной волны в данном месте и в конечном итоге определяет размер и вес систем силовой электроники.

«Эти смоделированные значения напряженности поля впечатляют. Однако они должны быть проверены прямыми экспериментальными измерениями», Сингисетти говорит.

В число дополнительных авторов исследования входят нынешние и бывшие члены исследовательской лаборатории Сингисетти: Судипто Саха, Шивам Шарма и Ке Цзэн.

Исследование было поддержано Управлением научных исследований ВВС США и Национальным научным фондом США.

Источник: http://www.buffalo.edu/