Crédit :Université de Buffalo Image au microscope optique d'un réseau de transistors. Les trois flèches noires sont les sondes à aiguille en contact avec les bornes du transistor pour la mesure électrique. Crédit :Ke Zeng, Université de Buffalo
Comment emballer plus de puissance dans une voiture électrique ?
La réponse peut être des transistors électroniques en oxyde de gallium, ce qui pourrait permettre aux constructeurs automobiles d'augmenter la production d'énergie tout en gardant les véhicules légers et rationalisés dans leur conception.
Une avancée récente - rapportée dans le numéro de septembre de la revue Lettres de périphérique électronique IEEE —illustre comment cette technologie en évolution pourrait jouer un rôle clé dans l'amélioration des véhicules électriques, l'énergie solaire et d'autres formes d'énergie renouvelable.
« Pour faire progresser ces technologies, nous avons besoin de nouveaux composants électriques avec des capacités de gestion de l'énergie plus grandes et plus efficaces, " déclare l'auteur principal de l'étude, Uttam Singisetti, Doctorat., professeur agrégé de génie électrique à la faculté d'ingénierie et de sciences appliquées de l'UB. "L'oxyde de gallium ouvre de nouvelles possibilités que nous ne pouvons pas atteindre avec les semi-conducteurs existants."
Le matériau semi-conducteur le plus utilisé est le silicium. Pendant des années, les scientifiques s'y sont appuyés pour manipuler de plus grandes quantités d'énergie dans les appareils électroniques. Mais les scientifiques manquent de moyens pour maximiser le silicium en tant que semi-conducteur, c'est pourquoi ils explorent d'autres matériaux tels que le carbure de silicium, nitrure de gallium et oxyde de gallium.
Alors que l'oxyde de gallium a une mauvaise conductivité thermique, sa bande interdite (environ 4,8 électrons volts) dépasse celle du carbure de silicium (environ 3,4 électrons volts), le nitrure de gallium (environ 3,3 électrons-volts) et le silicium (1,1 électron-volts).
La bande interdite mesure la quantité d'énergie nécessaire pour faire passer un électron dans un état conducteur. Les systèmes fabriqués avec un matériau à bande interdite élevée peuvent être plus minces, plus légers et plus puissants que les systèmes composés de matériaux avec des bandes interdites plus faibles. Aussi, une bande interdite élevée permet de faire fonctionner ces systèmes à des températures plus élevées, réduisant le besoin de systèmes de refroidissement encombrants.
Singisetti et ses étudiants (Ke Zeng et Abhishek Vaidya) ont fabriqué un transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET) en oxyde de gallium d'une largeur de 5 micromètres. Une feuille de papier mesure environ 100 micromètres de large.
Le transistor a une tension de claquage de 1, 850 volts, qui fait plus que doubler le record d'un semi-conducteur à base d'oxyde de gallium, disent les chercheurs. La tension de claquage est la quantité d'électricité nécessaire pour transformer un matériau (dans ce cas, oxyde de gallium) d'un isolant à un conducteur. Plus la tension de claquage est élevée, plus l'appareil peut gérer de puissance.
En raison de la taille relativement grande du transistor, ce n'est pas idéal pour les smartphones et autres petits gadgets, dit Singisetti. Mais cela pourrait être utile pour réguler le flux d'énergie dans les opérations à grande échelle telles que les centrales électriques qui récoltent l'énergie solaire et éolienne, ainsi que les véhicules électriques y compris les voitures, trains et avions.
« Nous avons amélioré les capacités de gestion de la puissance des transistors en ajoutant plus de silicium. Malheureusement, qui ajoute plus de poids, ce qui diminue l'efficacité de ces appareils, " Singisetti dit. " L'oxyde de gallium peut nous permettre d'atteindre, et éventuellement dépasser, dispositifs à base de silicium tout en utilisant moins de matériaux. Cela pourrait conduire à des véhicules électriques plus légers et plus économes en carburant. »
Pour que cela se produise, cependant, quelques défis doivent être relevés, il dit. En particulier, les systèmes à base d'oxyde de gallium doivent être conçus de manière à surmonter la faible conductivité thermique des matériaux.
