ترانزستور أكسيد الجاليوم الرقيق | نوع جديد من الترانزسيتور يتحمل أكثر من 8000 فولت!

تظهر الصورة البيانية على اليسار جهد الانهيار لثلاث أنواع من ترانزستورات أكسيد الغاليوم. يوضح الرسم التوضيحي على اليمين الترتيب والمواد التي يتكون منها الترانزستور الذي حقق جهد انهيار أكبر من 8000 فولت. حقوق الصورة: University at Buffalo

يحب الناس سياراتهم الكهربائية، ولكن ليس تلك البطاريات الضخمة وأنظمة الطاقة المتعلّقة بها التي تستهلك مساحة شحن ثمينة.

وهنا يمكن أن تكون المساعدة في الطريق من ترانزستور خارق و قائم على مركب أكسيد الغاليوم قيد التطّوير في جامعة بافالو (University Buffalo).

في دراسة نشرت في إصدار شهر يونيو من (IEEE Electron Device Letters) يصف المهندسون الكهربائيون كيف يمكن لهذا المفتاح الإلكتروني الصغير التعامل مع أكثر من 8000 فولت. ذلك الأمر الذي يثير الإعجاب، خاصًة بالنظر إلى أنه رفيع تمامًا مثل الورقة.

يمكن أن يقودنا الترانزستور إلى أنظمة إلكترونية أصغر وأكثر كفاءة تتحكم وتحوّل الطاقة الكهربائية - وهو مجال دراسة يعرف باسم إلكترونيات الطاقة (power electronics) - في السيارات الكهربائية والقاطرات والطائرات. وهذا بدوره من الممكن أن يساعد في تحسين المسافة التي يمكن أن تسير بها هذه المركبات.

يقول المؤلف الرئيسي للدراسة أوتام سينجيسيتي (Uttam Singisetti): "لدفع هذه التقنيات حقًا إلى المستقبل، نحتاج إلى مكونات إلكترونية من الجيل التالي التي يمكنها التعامل مع أحمال طاقة أكبر بدون زيادة حجم أنظمة إلكترونيات الطاقة." وأضاف أنه يمكن للترانزستور أن يفيد أيضًا تقنيات الشبكات الصغرى ومحوّلات الحالة الصلبة.

قام الدكتور سينجيسيتي الأستاذ المساعد في قسم الهندسة الكهربائية بكلية الهندسة في جامعة بافالو مع الطلاب في مختبره بدراسة إمكانيات أكسيد الغاليوم بما في ذلك الأعمال السابقة في استكشاف الترانزيستورات المصنوعة من هذه المادة.

ولعل السبب الرئيسي وراء جعل الباحثين يعملون على استكشاف إمكانية أكسيد الجاليوم لإلكترونيات الطاقة هو خاصية تعرف باسم فجوة النطاق (bandgap).

تقيس فجوة النطاق كم الطاقة المطلوبة لتحويل وتسريع إلكترون إلى حالة موصلة للكهرباء. كما إنه يمكن للأنظمة المصنوعة من مواد ذات فجوة نطاق عريضة أن تكون أرق وأخف وزنًا وتتعامل مع طاقة أكبر من الأنظمة المصنوعة من مواد ذات فجوات نطاق أقل.

تبلغ فجوة نطاق أكسيد الغاليوم حوالي 4.8 إلكترون فولت، مما يضعها بين مجموعة النخبة من المواد التي تعتبر ذات فجوة نطاق فائقة.

وتتجاوز فجوة النطاق لهذه المواد السيليكون صاحب فجوة النطاق الـ 1.1 إلكترون فولت، وهو المادة الأكثر شيوعًا في إلكترونيات الطاقة، وذلك بالإضافة إلى البدائل المحتملة للسيليكون، بما فيها كربيد السيليكون (حوالي 3.4 إلكترون فولت) ونتريد الغاليوم (حوالي 3.3 إلكترون فولت).

ويدور ابتكار رئيسي ومهم في الترانزيستور الجديد حول ما يُسمّى التخميل (passivation) وهي عملية كيميائية عبارة عن تغطية وطلاء الجهاز لتقليل التفاعل الكيميائي لسطحه. ومن أجل تحقيق ذلك، أضاف سينجيسيتي طبقة من SU-8، وهو بوليمر قائم على الإيبوكسي وشائع الاستخدام في الإلكترونيات الدقيقة.

وكانت النتائج مدهشة!

أظهرت الاختبارات التي أجريت قبل أسابيع فقط من إغلاق جائحة COVID-19 مؤقتًا لمختبر سينجيسيتي في مارس، أن الترانزستور يمكنه التعامل مع 8032 فولت قبل التعطيل! وهو أكثر من الترانزستورات المصممة بشكل مماثل والمصنوعة من كربيد السيليكون أو نيتريد الغاليوم قيد التطوير.

يقول سينجيسيتي : "كلما زاد جهد التعطيل، زادت قدرة الجهاز على التعامل معه". وأضاف أيضًا: "إن طبقة التخميل هي طريقة بسيطة وفعالة وموفرة من حيث التكلفة لتعزيز أداء ترانزستورات أكسيد الجاليوم."

كما تشير المحاكاة إلى أن الترانزستور لديه قوة مجال أكثر من 10 مليون فولت (أو 10 ميجا فولت) لكل سنتيميتر. وتقيس قوة المجال شدة الموجة الكهرومغناطيسية في بقعة معينة، وتحدد في النهاية حجم ووزن أنظمة إلكترونيات الطاقة.

يقول سينجيسيتي: "إن قوى المجال المحاكاة هذه، مثيرة للإعجاب. ومع ذلك، يجب التحقق منها من خلال قياسات تجريبية مباشرة".