Den elektroniske transistor, du har ventet på

Hvordan pakker man mere strøm ind i en elbil?

Svaret kan være elektroniske transistorer lavet af galliumoxid, hvilket kunne gøre det muligt for bilproducenter at øge energiproduktionen og samtidig holde køretøjerne lette og strømlinede i design.

Et nyligt fremskridt - rapporteret i september-udgaven af ​​tidsskriftet IEEE-elektronenhedsbogstaver — illustrerer, hvordan denne udviklende teknologi kan spille en nøglerolle for at forbedre elektriske køretøjer, solenergi og andre former for vedvarende energi.

"For at fremme disse teknologier, vi har brug for nye elektriske komponenter med større og mere effektive strømhåndteringsevner, " siger studiets hovedforfatter Uttam Singisetti, Ph.D., lektor i elektroteknik på UB's Ingeniørhøjskole. "Galliumoxid åbner nye muligheder, som vi ikke kan opnå med eksisterende halvledere."

Det mest udbredte halvledende materiale er silicium. Årevis, forskere har stolet på det til at manipulere større mængder strøm i elektroniske enheder. Men forskerne er ved at løbe tør for måder at maksimere silicium som halvleder, det er derfor, de udforsker andre materialer såsom siliciumcarbid, galliumnitrid og galliumoxid.

Mens galliumoxid har dårlig varmeledningsevne, dens båndgab (ca. 4,8 elektronvolt) overstiger siliciumcarbid (ca. 3,4 elektronvolt), galliumnitrid (ca. 3,3 elektronvolt) og silicium (1,1 elektronvolt).

Bandgap måler, hvor meget energi der kræves for at rykke en elektron til en ledende tilstand. Systemer lavet med materiale med høj båndgab kan være tyndere, lettere og håndterer mere kraft end systemer, der består af materialer med lavere båndgab. Også, høj båndgab gør det muligt at betjene disse systemer ved højere temperaturer, reducere behovet for omfangsrige kølesystemer.

Singisetti og hans elever (Ke Zeng og Abhishek Vaidya) fremstillede en metal-oxid-halvleder-felteffekttransistor (MOSFET) lavet af galliumoxid, der er 5 mikrometer bred. Et ark papir er omkring 100 mikrometer bredt.

Transistoren har en gennemslagsspænding på 1, 850 volt, hvilket mere end fordobler rekorden for en galliumoxid-halvleder, siger forskerne. Nedbrydningsspænding er mængden af ​​elektricitet, der kræves for at transformere et materiale (i dette tilfælde, galliumoxid) fra en isolator til en leder. Jo højere nedbrudsspænding, jo mere strøm kan enheden håndtere.

På grund af transistorens relativt store størrelse, den er ikke ideel til smartphones og andre små gadgets, siger Singisetti. Men det kunne være nyttigt til at regulere energiflowet i store operationer såsom kraftværker, der høster sol- og vindenergi, samt elektriske køretøjer inklusive biler, tog og fly.

"Vi har øget transistorernes effekthåndteringsevne ved at tilføje mere silicium. Desværre, der tilføjer mere vægt, hvilket reducerer effektiviteten af ​​disse enheder, " siger Singisetti. "Galliumoxid kan give os mulighed for at nå, og til sidst overskride, siliciumbaserede enheder, mens der bruges færre materialer. Det kan føre til lettere og mere brændstofeffektive elbiler."

For at det skal ske, imidlertid, nogle få udfordringer skal løses, han siger. I særdeleshed, galliumoxid-baserede systemer skal designes på måder, der overvinder materialernes lave varmeledningsevne.