NCSU:n tutkijat luovat uutta suuritehoista elektroniikkaa – jolla on valtavat seuraukset

Insinööritutkijat ovat luoneet uusia suuritehoisia elektronisia laitteita, jotka ovat energiatehokkaampia kuin aikaisemmat tekniikat. Laitteet ovat mahdollisia a ainutlaatuinen tekniikka galliumnitridin "doppaukseen". (GaN) kontrolloidusti.

"Monet tekniikat vaativat tehon muuntamista – jossa virta vaihdetaan yhdestä formaatista toiseen", sanoo Dolar Khachariya, ensimmäinen työtä käsittelevän paperin kirjoittaja ja entinen tohtori. opiskelija North Carolina State Universityssä. ”Teknologia saattaa esimerkiksi joutua muuttamaan vaihtovirtaa tasavirraksi tai muuttamaan sähköä työksi – kuten sähkömoottori. Ja kaikissa virranmuuntojärjestelmissä suurin osa tehohäviöstä tapahtuu virtakytkimessä – joka on virranmuunnosjärjestelmän muodostavan sähköpiirin aktiivinen komponentti.

"Tehokkaamman tehoelektroniikan, kuten virtakytkimien, kehittäminen vähentää muunnosprosessin aikana menetettyä tehoa", sanoo Khachariya, joka on nyt tutkija Adroit Materials Inc:ssä. "Tämä on erityisen tärkeää kehitettäessä teknologioita, jotka tukevat kestävämpää tehoa. infrastruktuuria, kuten älykkäitä verkkoja."

Tehonmuunnos vaikuttaa korkean teknologian aloille, kuten liikenne

"Työmme täällä ei tarkoita vain sitä, että voimme vähentää tehoelektroniikan energiahävikkiä, vaan voimme myös tehdä tehonmuunnosjärjestelmistä kompaktimpia verrattuna perinteiseen pii- ja piikarbidielektroniikkaan", sanoo Ramón Collazo, paperin ja piikarbidin toinen kirjoittaja. materiaalitieteen ja tekniikan apulaisprofessori NC Statessa. "Tämä mahdollistaa näiden järjestelmien sisällyttämisen teknologioihin, joihin ne eivät tällä hetkellä sovi paino- tai kokorajoitusten vuoksi, kuten autoihin, laivoihin, lentokoneisiin tai älyverkkoon hajautettuihin teknologioihin."

Jonkin sisällä 2021 julkaistu paperi, tutkijat esittelivät tekniikan, joka käyttää ioni-implantaatiota ja aktivointia kohdealueiden levittämiseen GaN-materiaaleissa. Toisin sanoen he suunnittelivat epäpuhtauksia tietyille alueille GaN-materiaaleissa muuttaakseen valikoivasti GaN:n sähköisiä ominaisuuksia vain näillä alueilla.

Näin se toimii

Uudessa artikkelissaan tutkijat ovat osoittaneet, kuinka tätä tekniikkaa voidaan käyttää todellisten laitteiden luomiseen. Erityisesti tutkijat käyttivät valikoivasti seostettuja GaN-materiaaleja luodakseen Junction Barrier Schottky (JBS) -diodeja.

"Tehontasasuuntaajia, kuten JBS-diodeja, käytetään kytkiminä kaikissa sähköjärjestelmissä", Collazo sanoo. "Mutta historiallisesti ne on valmistettu puolijohteista piistä tai piikarbidista, koska seostamattoman GaN:n sähköiset ominaisuudet eivät ole yhteensopivia JBS-diodien arkkitehtuurin kanssa. Se ei vain toimi.

"Olemme osoittaneet, että voit valikoivasti dopeuttaa GaN:ää toimivien JBS-diodien luomiseksi ja että nämä diodit eivät ole vain toimivia, vaan mahdollistavat tehokkaamman muuntamisen kuin JBS-diodit, jotka käyttävät perinteisiä puolijohteita. Esimerkiksi teknisesti GaN JBS -diodillamme, joka on valmistettu alkuperäiselle GaN-substraatille, on ennätyskorkea läpilyöntijännite (915 V) ja ennätysalhainen päällekytkentävastus.

"Työskentelemme parhaillaan alan kumppaneiden kanssa lisätäksemme valikoivasti seostetun GaN:n tuotantoa ja etsimme uusia kumppanuuksia käsitelläksemme kysymyksiä, jotka liittyvät tätä materiaalia hyödyntävien teholaitteiden laajempaan valmistukseen ja käyttöönottoon", Collazo sanoo.

Lisää tutkimuksesta

Paperi, "Pystysuuntaiset GaN-liitosesteen Schottky-diodit, joiden suorituskyky on lähes ihanteellinen ultrakorkeapainehehkutuksen aktivoimalla Mg-istutuksella”, on julkaistu Applied Physics Express -lehdessä. Paperin on kirjoittanut Spyridon Pavlidis, sähkö- ja tietokonetekniikan apulaisprofessori NC Statessa; Shashwat Rathkanthiwar, tutkijatohtori NC Statessa; Shane Stein, tohtori opiskelija NC State; Hayden Breckenridge, entinen Ph.D. opiskelija NC State; Erhard Kohn, NC Staten tutkija ja Ulmin yliopiston emeritusprofessori Saksassa; Zlatko Sitar, Kobe Steel NC Staten materiaalitieteen ja -tekniikan ansioitunut professori ja Adroit Materialsin perustaja; Will Mecouch, Seiji Mita, Baxter Moody, Pramod Reddy, James Tweedie ja Ronny Kirste Adroit Materialsista; ja Kacper Sierakowski, Grzegorz Kamler ja Michał Boćkowski Puolan tiedeakatemian korkeapainefysiikan instituutista.

Työtä tuki ensisijaisesti ARPA-E osana PNDIODES-ohjelmaa, apurahoilla DE-AR0000873, DE-AR000149. Työ sai lisätukea National Science Foundationilta apurahoilla ECCS-1916800, ECCS-1508854, ECCS-1610992, DMR-1508191 ja ECCS-1653383; Office of Naval Research Globalin Naval International Cooperative Opportunities in Science and Technology -ohjelma, avustuksella N62909-17-1-2004; ja Puolan kansallinen tutkimus- ja kehityskeskus (NCBR) apurahalla TECHMATSTRATEG-III/0003/2019-00.

©North Carolina State University

Alkuperäinen artikkelin lähde: WRAL TechWire