Forskare vid University of Buffalo har utvecklat en galliumoxidbaserad transistor som kan hantera mer än 8000 volt. Transistorn kan leda till mindre och mer effektiva elektroniska system för elkraft - ett område som kallas kraftelektronik - i elbilar, lok och flygplan. Detta kan i sin tur bidra till längre körsträckor för dessa fordon.
I en studie som publicerad i juniutgåvan av tidskriften IEEE Electron Device Letters beskriver elektrotekniker hur den lilla elektroniska omkopplaren kan hantera mer än 8000 volt, en imponerande bedrift med tanke på att den är ungefär lika tunn som ett pappersark.
– För att verkligen driva denna teknik in i framtiden behöver vi nästa generations elektroniska komponenter som kan hantera större effektlaster utan att öka storleken på kraftelektroniksystemet, säger studiens huvudförfattare, Uttam Singisetti, som tillägger att transistorn också skulle kunna komma till användning för mikrogrid-teknologier, det vill säga småskaliga fristående elnät, och solid-state-transformatorer.
Singisetti och hans studenter har i labb studerat potentialen för galliumoxid, främst för en egenskap som kallas ”bandgap” vilken är av betydelse för kraftelektronik.
Bandgap anger den minsta mängd energi som krävs för att föra en elektron till ett ledande tillstånd.
System tillverkade med brett bandgapmaterial kan vara tunnare, lättare och hantera mer kraft än system tillverkade av material med lägre bandgap.
Galliumoxids bandgap är ungefär 4,8 elektronvolt, vilket placerar det bland de material som anses ha ett ultrabrett bandgap.
Bandmaterialet för dessa material överstiger det för kisel (1,1 elektronvolt), det vanligaste materialet inom kraftelektronik, liksom vanliga ersättningar för kisel, som kiselkarbid (cirka 3,4 elektronvolt) och galliumnitrid (cirka 3,3 elektronvolter).
En innovation av avgörande betydelse i den nya transistorn handlar om passivering, som är en kemisk process där man belägger enheten med ett skikt för att minska den kemiska reaktiviteten på ytan. För att uppnå detta applicerade Singisetti ett skikt av SU-8, en epoxibaserad polymer som vanligtvis används i mikroelektronik.
Resultaten beskrivs som imponerande.
Tester visar att transistorn kan hantera 8 032 volt innan den bryts ned, vilket är mer än på liknande transistorer under utveckling tillverkade av kiselkarbid eller galliumnitrid.
– Passiveringsskiktet är ett enkelt, effektivt och kostnadseffektivt sätt att öka prestanda för galliumoxidtransistorer, säger Singisetti.