Hur packar man in mer kraft i en elbil?

Svaret kan vara elektroniska transistorer gjorda av galliumoxid, vilket skulle kunna göra det möjligt för biltillverkare att öka energiproduktionen samtidigt som fordonen är lätta och strömlinjeformade.

Ett framsteg nyligen – rapporterat i septembernumret av tidskriften IEEE Elektronenhetsbokstäver —illustrerar hur denna utvecklande teknik kan spela en nyckelroll för att förbättra elfordon, solkraft och andra former av förnybar energi.

"För att främja dessa teknologier, vi behöver nya elektriska komponenter med större och effektivare krafthanteringsförmåga, " säger studiens huvudförfattare Uttam Singisetti, Ph.D., docent i elektroteknik vid UB:s Tekniska Högskola. "Galliumoxid öppnar nya möjligheter som vi inte kan uppnå med befintliga halvledare."

Det mest använda halvledande materialet är kisel. I åratal, forskare har förlitat sig på det för att manipulera större mängder kraft i elektroniska enheter. Men forskarna börjar få ont om sätt att maximera kisel som halvledare, det är därför de undersöker andra material som kiselkarbid, galliumnitrid och galliumoxid.

Medan galliumoxid har dålig värmeledningsförmåga, dess bandgap (cirka 4,8 elektronvolt) överstiger det för kiselkarbid (cirka 3,4 elektronvolt), galliumnitrid (ca 3,3 elektronvolt) och kisel (1,1 elektronvolt).

Bandgap mäter hur mycket energi som krävs för att skaka en elektron till ett ledande tillstånd. System tillverkade av material med högt bandgap kan vara tunnare, lättare och klarar mer kraft än system som består av material med lägre bandgap. Också, högt bandgap gör det möjligt att använda dessa system vid högre temperaturer, minskar behovet av skrymmande kylsystem.

Singisetti och hans elever (Ke Zeng och Abhishek Vaidya) tillverkade en metall-oxid-halvledarfälteffekttransistor (MOSFET) gjord av galliumoxid som är 5 mikrometer bred. Ett pappersark är cirka 100 mikrometer brett.

Transistorn har en genomslagsspänning på 1, 850 volt, vilket mer än fördubblar rekordet för en galliumoxidhalvledare, säger forskarna. Nedbrytningsspänning är mängden elektricitet som krävs för att omvandla ett material (i detta fall, galliumoxid) från en isolator till en ledare. Ju högre genombrottsspänning, desto mer kraft kan enheten hantera.

På grund av transistorns relativt stora storlek, det är inte idealiskt för smartphones och andra små prylar, säger Singisetti. Men det kan vara användbart för att reglera energiflödet i storskaliga verksamheter som kraftverk som skördar sol- och vindenergi, samt elfordon inklusive bilar, tåg och flygplan.

"Vi har ökat krafthanteringsförmågan hos transistorer genom att lägga till mer kisel. Tyvärr, som ger mer vikt, vilket minskar effektiviteten hos dessa enheter, " säger Singisetti. "Galliumoxid kan tillåta oss att nå, och så småningom överträffa, silikonbaserade enheter samtidigt som man använder mindre material. Det kan leda till lättare och mer bränslesnåla elfordon."

För att det ska hända, dock, några utmaningar måste lösas, han säger. Särskilt, galliumoxidbaserade system måste utformas på ett sätt för att övervinna materialens låga värmeledningsförmåga.