O desenvolvimento de eletrônicos de potência mais eficientes, como interruptores de potência, reduz a quantidade de energia perdida durante o processo de conversão. Isto é particularmente importante para o desenvolvimento de tecnologias que apoiem uma infra-estrutura energética mais sustentável, como as redes inteligentes.
Pesquisadores de engenharia da North Carolina State University desenvolveram novos dispositivos eletrônicos de alta potência que são mais eficientes em termos de energia do que as tecnologias anteriores. Os dispositivos são possíveis por uma técnica única para dopar nitreto de gálio (GaN) de forma controlada.
Sua nova tecnologia usa implantação e ativação iônica para dopar áreas específicas em materiais GaN. Em outras palavras, eles projetaram impurezas em regiões específicas de materiais de GaN para modificar seletivamente as propriedades elétricas do GaN apenas nessas regiões.
No novo artigo, os pesquisadores demonstraram como esta técnica pode ser usada para criar dispositivos reais. Especificamente, os pesquisadores usaram materiais GaN dopados seletivamente para criar diodos Schottky de barreira de junção (JBS).
Retificadores de potência, como diodos JBS, são usados como interruptores em todos os sistemas de potência. Mas, historicamente, eles foram feitos de semicondutores de silício ou carboneto de silício porque as propriedades elétricas do GaN não dopado não são compatíveis com a arquitetura dos diodos JBS. Simplesmente não funciona, dizem os pesquisadores.
“Demonstramos que você pode dopar GaN seletivamente para criar diodos JBS funcionais e que esses diodos não são apenas funcionais, mas permitem uma conversão mais eficiente em termos de energia do que os diodos JBS que usam semicondutores convencionais. Por exemplo, em termos técnicos, nosso diodo GaN JBS, fabricado em um substrato GaN nativo, tem uma tensão de ruptura recorde (915 V) e uma resistência de ativação recorde baixa,” diz Ramón Collazo, coautor do artigo.
“Nosso trabalho aqui não significa apenas que podemos reduzir a perda de energia na eletrônica de potência, mas também podemos tornar os sistemas de conversão de energia mais compactos em comparação com a eletrônica convencional de silício e carboneto de silício”, diz Ramón Collazo. “Isso torna possível incorporar esses sistemas em tecnologias onde eles não se encaixam atualmente devido a restrições de peso ou tamanho, como em automóveis, navios, aviões ou tecnologias distribuídas por uma rede inteligente.”
Atualmente, os pesquisadores estão trabalhando com parceiros da indústria para aumentar a produção de GaN dopado seletivamente e estão buscando parcerias adicionais para trabalhar em questões relacionadas à fabricação e adoção mais amplas de dispositivos de energia que façam uso desse material.
Referência do periódico:
- Dolar Khachariya, Shane Stein, Will Mecouch, M. Hayden Breckenridge, Shashwat Rathkanthiwar, Seiji Mita, Baxter Moody, Pramod Reddy, James Tweedie, Ronny Kirste, Kacper Sierakowski, Grzegorz Kamler, Michal Bockowski, Erhard Kohn, Spyridon Pavlidis, Collazo Ramon, Zlatko Citar. Barreira de junção GaN vertical Diodos Schottky com desempenho quase ideal usando implantação de Mg ativado por recozimento de ultra-alta pressão. Física Aplicada Expresso, 2022; DOI: 10.35848/1882-0786/ac8f81
- M. Hayden Breckenridge, James Tweedie, Pramod Reddy, Yan Guan, Pegah Bagheri, Dennis Szymanski, Seiji Mita, Kacper Sierakowski, Michał Botckowski, Ramon Collazo, Zlatko Sitar. Alta ativação de Mg em GaN implantado por recozimento em alta temperatura e ultra-alta pressão. Cartas de Física Aplicada, 118, 022101 (2021); DOI: 10.1063/5.0038628
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