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极薄的氧化镓晶体管可以处理超过8000伏特的电压

发布时间:2020-05-31 15:59:11  编辑:  来源:

人们喜欢电动汽车。但体积庞大的电池和相关的电力系统却不占这么多宝贵的货运空间。

布法罗大学(University at Buffalo)正在开发的一种以氧化镓为基础的晶体管可能会提供帮助。

在6月出版的《IEEE电子设备通讯》(IEEE electronic Device Letters)上发表的一项研究中,电气工程师描述了这种微型电子开关如何能够处理超过8,000伏特的电压,考虑到它只有一张纸那么薄,这是一个令人印象深刻的成就。

晶体管可以制造出更小、更高效的电子系统,用于控制和转换电力——一个被称为电力电子的研究领域——在电动汽车、机车和飞机上。反过来,这将有助于提高这些车辆的行驶距离。

该研究的第一作者Uttam Singisetti说:“为了真正将这些技术推向未来,我们需要下一代电子元件,能够在不增加电力电子系统尺寸的情况下处理更大的电力负载。”

来自布法罗大学工程与应用科学学院的电子工程副教授Singisetti博士和他实验室的学生一直在研究氧化镓的潜力,包括之前探索由这种材料制成的晶体管的工作。

也许研究人员正在探索氧化镓在电力电子领域的潜力的主要原因是一种被称为“带隙”的特性。

带隙测量的是使电子转变为导电状态所需要的能量。用宽带隙材料制成的系统比用低带隙材料制成的系统更薄、更轻,处理的功率更大。

氧化镓的带隙约为4.8电子伏特,被认为是具有超宽带隙的材料中的精英。

这些材料的带隙超过了硅(1.1电子伏特),这是电力电子中最常见的材料,也是硅的潜在替代品,包括碳化硅(约3.4电子伏特)和氮化镓(约3.3电子伏特)。

新晶体管的一个关键创新是围绕钝化,钝化是一种化学过程,包括给器件涂上涂层,以降低器件表面的化学反应性。为了实现这一目标,Singisetti添加了一层SU-8,一种通常用于微电子领域的环氧聚合物。

结果令人印象深刻。

在COVID-19疫情于3月暂时关闭Singisetti实验室前几周进行的测试显示,该晶体管在击溃前可处理8,032伏特的电压,比目前正在研发的由碳化硅或氮化镓制成的类似设计的晶体管要高。

“击穿电压越高,设备能够处理的功率就越大,”Singisetti说。钝化层是提高氧化镓晶体管性能的一种简单、高效、经济的方法。

模拟实验表明,晶体管的场强超过每厘米1000万伏特(或1000兆伏特)。场强测量的是电磁波在特定地点的强度,它最终决定了电力电子系统的大小和重量。

“这些模拟的场强令人印象深刻。然而,它们需要通过直接的实验测量来验证,”Singisetti说。

标签:电压
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