Un design inovator de semiconductori îmbunătățește substanțial mașinile și trenurile electrice

Mașinile și trenurile electrice au atins un nou prag de performanță.

O echipă de oameni de știință a făcut progrese semnificative în explorarea modalităților de îmbunătățire substanțială a designului dispozitivelor de alimentare ce folosesc carbură de siliciu programate pentru utilizare în mașinile, trenurile electrice și alte vehicule de acest tip, scrie Interesting Engineering.

Când acestea vor fi lansate pe piață, ar putea crește substanțial autonomia, performanța și eficiența energetică a vehiculelor complet electrice, se arată într-un studiu recent publicat în Physical Status Solidi (b).

Cercetătorii au studiat o structură de super-joncțiune

Semiconductorii unipolari cu carbură de siliciu (SiC) au fost utilizați pe scară largă în comerț, dar pentru a îi folosi, ne confruntăm cu o problemă apărută între rezistența specifică la pornire sau o tensiune de defalcare și rezistența specifică a stratului de abatere.

Așa că cercetătorii au studiat ceva numit o structură de super-joncțiune, care indică aranjarea „straturilor n și p” în interiorul șanțurilor din stratul de abatere, ceea ce permite funcționarea bipolară în astfel de dispozitive. Și aceasta deschide o breșă pentru a depăși limita unipolară.

În studiul recent, cercetătorii din Japonia au explorat defectele de distribuție a adâncimii găsite în diodele bipolare SiC create din dopajul cu aluminiu.

Dopajul cu aluminiu implică fie implantare epitaxială, fie implantare ionică, prima dintre acestea necesitând o depunere strat cu strat a materialelor semiconductoare pe un material substrat.

Implantarea ionică, pe de altă parte, presupune bombardarea straturilor materialului semiconductor cu particule încărcate de energie înaltă. Dar implantarea ionică poate crea defecte încorporate adânc în straturile semiconductoare, ceea ce poate duce la efecte negative asupra modulării conductivității, care poate perturba performanța.

Aceste studii vor îmbunătăți performanța pe care o vor avea mașinile și trenurile electrice

Studiind cum și când se întâmplă acest lucru, cercetătorii explorează spațiul de manevră pentru soluții care vor îmbunătăți substanțial performanța vehiculelor electrice.

„Descoperirile noastre vor ajuta la proiectarea optimă a dispozitivelor de putere SiC, care vor fi utilizate în curând în vehicule electrice, trenuri etc.”, a spus profesorul asociat Masashi Kato de la Institutul de Tehnologie din Nagoya, Japonia.

„Aceste rezultate vor ajuta în cele din urmă la îmbunătățirea performanței, precum și a dimensiunii și consumului de energie al sistemelor de tracțiune din vehicule și trenuri”, a adăugat cercetătorul.

Pentru a explora în continuare distribuția în profunzime a defectelor, echipa de cercetare a creat două diode SiC PiN folosind straturi p dopate cu aluminiu.

Una dintre diode a fost realizată prin creștere epitaxială, iar cealaltă prin implantare ionică. Ulterior, ei au evaluat distribuția defectelor în ambele diode cu ajutorul „spectroscopiei tranzitorii la nivel profund” convențional (DLTS), care le-a permis să investigheze proprietățile lor cu catodoluminiscență (CL).

Astfel, echipa de cercetare a descoperit că depunerea stratului de tip p prin creșterea epitaxială nu a lăsat daune suplimentare în straturile de tip n adiacente. Deși acest lucru era promițător, aceeași diodă crescută epitaxial a prezentat, de asemenea, o instabilitate minoră care a cauzat formarea de defecte la nivel profund.

În plus, rezistența specifică la pornire a acestei diode a fost scăzută din cauza efectelor modulației conductivității, depășind unul dintre cele două obstacole principale descrise mai sus.

De cealaltă parte a spectrului experimental, cercetătorii au descoperit că dopajul cu aluminiu în dioda creată prin implantarea ionică a reușit să atingă o rezistență specifică ridicată fără a modifica modulația conductibilității.

Cercetătorii au observat, de asemenea, că defectele dispozitivului semiconductor au pătruns la cel puțin 20 de micrometri (µm) din zona de implantare.

„Studiul nostru arată că implantarea ionică în dispozitivele bipolare SiC trebuie să fie procesată la cel puțin 20 de micrometri distanță de regiunile active”, a spus Kato.

În special consumul scăzut de energie al dispozitivelor de alimentare cu SiC va deveni crucial pentru viitoarele vehicule, deoarece efectele schimbărilor climatice exacerbează tot ce este rău în lume, din cauza, în mare parte, industriei combustibililor fosili.

Dar dezvoltând tehnologia semiconductoarelor la viteze fără precedent, am putea reduce pagubele făcute asupra umanității și a altor specii de pe Pământ și am putea face ca un viitor mai durabil să devină realitate mult mai devreme decât spun estimările actuale.

Vă recomandăm să citiți și:

Un robot numit Cassie a finalizat prima sa cursă de 5 kilometri. Reușita nu a fost fără peripeții

Motorul EM Drive nu a reușit să producă tracțiune, în cadrul unui experiment

Participare numeroasă la primul Festival al Științei pentru copii desfășurat online

Oamenii de știință au reușit teleportarea cuantică folosind o teorie a lui Albert Einstein