科學(xué)家一直依賴它來操縱電子設(shè)備中更大的功率

你如何將更多的動力裝入電動汽車?

答案可能是由氧化鎵制成的電子晶體管，這可以使汽車制造商提高能量輸出，同時保持車輛輕量化和簡化設(shè)計。

最近的一項進(jìn)展報告發(fā)表在9月份的IEEE Electron Device Letters雜志上 - 說明這種不斷發(fā)展的技術(shù)如何在改善電動汽車，太陽能和其他形式的可再生能源方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

“為了推進(jìn)這些技術(shù)，我們需要具有更強(qiáng)大和更高效功率處理能力的新電子元件，”該研究的主要作者Uttam Singisetti博士說，他是UB工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院電氣工程副教授。“氧化鎵開辟了我們用現(xiàn)有半導(dǎo)體無法實現(xiàn)的新可能性。”

最廣泛使用的半導(dǎo)體材料是硅。多年來，科學(xué)家一直依賴它來操縱電子設(shè)備中更大的功率。但科學(xué)家們已經(jīng)沒有辦法將硅作為半導(dǎo)體最大化，這就是為什么他們正在探索其他材料，如碳化硅，氮化鎵和氧化鎵。

雖然氧化鎵具有差的導(dǎo)熱性，但其帶隙(約4.8電子伏特)超過碳化硅(約3.4電子伏特)，氮化鎵(約3.3電子伏特)和硅(1.1電子伏特)。

帶隙測量將電子搖動到導(dǎo)電狀態(tài)所需的能量。使用高帶隙材料制成的系統(tǒng)可以比由帶隙較低的材料制成的系統(tǒng)更薄，更輕，并且處理更多功率。此外，高帶隙使得可以在更高的溫度下操作這些系統(tǒng)，從而減少對龐大的冷卻系統(tǒng)的需求。

Singisetti和他的學(xué)生(Ke Zeng和Abhishek Vaidya)制造了一個由5微米寬的氧化鎵制成的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。一張紙約100微米寬。

研究人員表示，該晶體管的擊穿電壓為1,850伏，比氧化鎵半導(dǎo)體的記錄增加了一倍多。擊穿電壓是將材料(在這種情況下為氧化鎵)從絕緣體轉(zhuǎn)換為導(dǎo)體所需的電量。擊穿電壓越高，器件可以處理的功率越大。

Singisetti表示，由于晶體管的尺寸相對較大，因此不適合智能手機(jī)和其他小型設(shè)備。但它可以用于調(diào)節(jié)大規(guī)模運營中的能量流，例如收獲太陽能和風(fēng)能的發(fā)電廠，以及包括汽車，火車和飛機(jī)在內(nèi)的電動汽車。

“我們通過添加更多的硅來提高晶體管的功率處理能力。不幸的是，這會增加更多的重量，從而降低這些設(shè)備的效率，”Singisetti說。“氧化鎵可以讓我們在使用更少的材料時達(dá)到并最終超過硅基器件。這可能會導(dǎo)致更輕，更省油的電動汽車。”

然而，要實現(xiàn)這一目標(biāo)，必須解決一些挑戰(zhàn)，他說。特別是，必須設(shè)計基于氧化鎵的系統(tǒng)以克服材料的低導(dǎo)熱性。