חוקרי NCSU יוצרים אלקטרוניקה חדשה בעלת הספק גבוה - עם השלכות עצומות

חוקרי הנדסה יצרו מכשירים אלקטרוניים חדשים בעלי הספק גבוה וחסכוניים יותר באנרגיה מטכנולוגיות קודמות. המכשירים מתאפשרים על ידי א טכניקה ייחודית ל"סימום" גליום ניטריד (GaN) בצורה מבוקרת.

"טכנולוגיות רבות דורשות המרת הספק - כאשר הכוח מועבר מפורמט אחד לאחר", אומר Dolar Khachariya, המחבר הראשון של מאמר על העבודה ודוקטור לשעבר. סטודנט באוניברסיטת צפון קרוליינה. "לדוגמה, ייתכן שהטכנולוגיה תצטרך להמיר AC ל-DC, או להמיר חשמל לעבודה - כמו מנוע חשמלי. ובכל מערכת המרת חשמל, רוב אובדן החשמל מתרחש במתג ההפעלה - שהוא מרכיב פעיל במעגל החשמלי שיוצר את מערכת המרת החשמל.

"פיתוח אלקטרוניקה יעילה יותר כמו מתגי חשמל מפחית את כמות הכוח שאבד במהלך תהליך ההמרה", אומר חצ'אריה, שהוא כיום חוקר ב-Adroit Materials Inc. "זה חשוב במיוחד לפיתוח טכנולוגיות לתמיכה בכוח בר-קיימא יותר תשתית, כמו רשתות חכמות".

המרת החשמל משפיעה על מגזרי היי-טק, כמו תחבורה ציבורית

"העבודה שלנו כאן לא רק אומרת שאנחנו יכולים להפחית את אובדן האנרגיה באלקטרוניקה כוח, אלא אנחנו גם יכולים להפוך את המערכות להמרת הספק לקומפקטיות יותר בהשוואה לאלקטרוניקה רגילה של סיליקון וסיליקון קרביד", אומר רמון קולאזו, מחבר המשותף של העיתון פרופסור חבר למדעי החומרים והנדסה במדינת NC. "זה מאפשר לשלב את המערכות הללו בטכנולוגיות שבהן הן אינן מתאימות כעת עקב מגבלות משקל או גודל, כגון במכוניות, ספינות, מטוסים או טכנולוגיות המופצות ברחבי רשת חכמה".

ב מאמר שפורסם בשנת 2021, החוקרים תיארו טכניקה המשתמשת בהשתלת יונים והפעלה כדי לסמם אזורים ממוקדים בחומרי GaN. במילים אחרות, הם הנדסו זיהומים לאזורים ספציפיים בחומרי GaN כדי לשנות באופן סלקטיבי את התכונות החשמליות של ה-GaN רק באזורים אלה.

ככה זה עובד

במאמר החדש שלהם, החוקרים הדגימו כיצד ניתן להשתמש בטכניקה זו ליצירת מכשירים בפועל. באופן ספציפי, החוקרים השתמשו בחומרי GaN מסוממים באופן סלקטיבי כדי ליצור דיודות של Junction Barrier Schottky (JBS).

"מיישרי כוח, כגון דיודות JBS, משמשים כמתגים בכל מערכת חשמל", אומר קולאזו. "אבל מבחינה היסטורית הם נוצרו מהמוליכים למחצה סיליקון או סיליקון קרביד, מכיוון שהמאפיינים החשמליים של GaN לא מסומנים אינם תואמים לארכיטקטורה של דיודות JBS. זה פשוט לא עובד.

"הוכחנו שאפשר לסמם GaN באופן סלקטיבי כדי ליצור דיודות JBS פונקציונליות, ושהדיודות הללו אינן רק פונקציונליות, אלא מאפשרות המרה יעילה יותר בהספק מאשר דיודות JBS המשתמשות במוליכים למחצה קונבנציונליים. לדוגמה, במונחים טכניים, דיודת GaN JBS שלנו, המיוצרת על מצע GaN מקורי, בעלת מתח פריצה גבוה שיא (915 V) והתנגדות הפעלה נמוכה.

"כרגע אנחנו עובדים עם שותפים בתעשייה כדי להגדיל את הייצור של GaN עם סימום סלקטיבי, ומחפשים שותפויות נוספות לעבודה בנושאים הקשורים לייצור נרחב יותר ולאימוץ של מכשירי חשמל שעושים שימוש בחומר הזה", אומר קולאזו.

עוד על המחקר

הנייר, "מחסום צומת GaN אנכי דיודות שוטקי עם ביצועים כמעט אידיאליים באמצעות השתלת Mg המופעלות על ידי חישול בלחץ גבוה במיוחד", מתפרסם בכתב העת Applied Physics Express. המאמר נכתב בשיתוף Spyridon Pavlidis, עוזר פרופסור להנדסת חשמל ומחשבים ב-NC State; Shashwat Rathkanthiwar, חוקר פוסט-דוקטורט ב-NC State; שיין שטיין, Ph.D. סטודנט במדינת NC; היידן ברקנרידג', לשעבר Ph.D. סטודנט ב-NC State; ארהרד קון, עמית מחקר ב-NC State ופרופסור אמריטוס מאוניברסיטת Ulm בגרמניה; זלטקו סיטאר, פרופסור מצטיין קובי סטיל למדע והנדסת חומרים ב-NC State ומייסד Adroit Materials; וויל Mecouch, Seiji Mita, Baxter Moody, Pramod Reddy, James Tweedie ורוני Kirste מ-Adroit Materials; ו-Kacper Sierakowski, Grzegorz Kamler ומיכאל בוצ'קובסקי מהמכון לפיזיקה בלחץ גבוה באקדמיה הפולנית למדעים.

העבודה נתמכה בעיקר על ידי ARPA-E כחלק מתוכנית PNDIODES שלה, במסגרת מענקים DE-AR0000873, DE-AR000149. העבודה קיבלה תמיכה נוספת מהקרן הלאומית למדע, במסגרת מענקים ECCS-1916800, ECCS-1508854, ECCS-1610992, DMR-1508191 ו-ECCS-1653383; תוכנית הזדמנויות שיתופיות בינלאומיות של הצי העולמי במדע וטכנולוגיה של Office of Naval Research Global, במסגרת מענק N62909-17-1-2004; והמרכז הלאומי למחקר ופיתוח של פולין (NCBR) במסגרת מענק TECHMATSTRATEG-III/0003/2019-00.

© אוניברסיטת צפון קרוליינה

מקור המאמר המקורי: WRAL TechWire