Transistor de Óxido de Galio Para Mejorar Vehículos Eléctricos

Los ingenieros eléctricos crearon un transistor a base de óxido de galio que puede manejar más de 8,000 voltios. El transistor podría conducir a sistemas electrónicos más pequeños y más eficientes que controlan y convierten la energía eléctrica, un campo de estudio conocido como electrónica de potencia, en automóviles eléctricos, locomotoras y aviones. A su vez, esto podría ayudar a mejorar qué tan lejos pueden viajar estos vehículos.

La gente ama sus autos eléctricos. Pero no tanto las voluminosas baterías y los sistemas de energía relacionados que ocupan un valioso espacio de carga.

La ayuda podría estar en camino desde un transistor de óxido de galio en desarrollo en la Universidad de Buffalo.

En su estudio los ingenieros eléctricos describen cómo el pequeño interruptor electrónico puede manejar más de 8,000 voltios, una hazaña impresionante teniendo en cuenta que es tan delgado como una hoja de papel.

El transistor de óxido de galio podría conducir a sistemas electrónicos más pequeños y más eficientes que controlan y convierten la energía eléctrica, un campo de estudio conocido como electrónica de potencia, en automóviles eléctricos, locomotoras y aviones. A su vez, esto podría ayudar a mejorar qué tan lejos pueden viajar estos vehículos.

“Para impulsar realmente estas tecnologías hacia el futuro, necesitamos componentes electrónicos de próxima generación que puedan manejar mayores cargas de energía sin aumentar el tamaño de los sistemas electrónicos de potencia”, dice el autor principal del estudio, Uttam Singisetti, quien agrega que el transistor también podría beneficiarse Tecnologías de microrredes y transformadores de estado sólido.

Singisetti, PhD, profesor asociado de ingeniería eléctrica en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la UB, y los estudiantes en su laboratorio han estado estudiando el potencial del óxido de galio, incluido el trabajo previo explorando los transistores hechos del material.

Quizás la razón principal por la que los investigadores están explorando el potencial del óxido de galio para la electrónica de potencia es una propiedad conocida como “banda prohibida”.

Bandgap mide cuánta energía se requiere para sacudir un electrón en un estado conductor. Los sistemas hechos con materiales de banda ancha pueden ser más delgados, livianos y manejan más potencia que los sistemas hechos de materiales con bandas de banda más bajas.

El intervalo de banda del óxido de galio es de aproximadamente 4,8 voltios de electrones, lo que lo ubica entre un grupo de élite de materiales que se considera que tienen un intervalo de banda ultra ancho.

El intervalo de banda de estos materiales excede el del silicio (1.1 voltios de electrones), el material más común en electrónica de potencia, así como los posibles reemplazos para el silicio, incluido el carburo de silicio (aproximadamente 3.4 voltios de electrones) y el nitruro de galio (aproximadamente 3.3 voltios de electrones).

Una innovación clave en el nuevo transistor gira en torno a la pasivación, que es un proceso químico que consiste en recubrir el dispositivo para reducir la reactividad química de su superficie. Para lograr esto, Singisetti agregó una capa de SU-8, un polímero a base de epoxi comúnmente utilizado en microelectrónica.

Los resultados fueron impresionantes.

Las pruebas realizadas solo semanas antes de que la pandemia COVID-19 cerrara temporalmente el laboratorio de Singisetti en marzo muestran que el transistor puede manejar 8.032 voltios antes de descomponerse, que es más que transistores de diseño similar hechos de carburo de silicio o nitruro de galio que están en desarrollo.

“Cuanto mayor es el voltaje de ruptura, más potencia puede manejar un dispositivo”, dice Singisetti. “La capa de pasivación es una forma simple, eficiente y rentable de aumentar el rendimiento de los transistores de óxido de galio”.

Las simulaciones sugieren que el transistor tiene una intensidad de campo de más de 10 millones de voltios (o 10 megavoltios) por centímetro. La intensidad de campo mide la intensidad de una onda electromagnética en un lugar determinado, y finalmente determina el tamaño y el peso de los sistemas electrónicos de potencia.

“Estas intensidades de campo simuladas son impresionantes. Sin embargo, deben verificarse mediante mediciones experimentales directas”, dice Singisetti.