transistor

示意圖,非文中所述新型半導體元件。

電源轉換器(power converter)的目的,是將插座的交流電轉成直流電,供電子設備使用。但轉換的過程會損失掉大約 20% 的電能,相當可觀。於是歐洲科研團隊 EPFL 旗下的 POWERlab 團隊開發出新的半導體元件,能提升轉換效率,並節省超過一半的電能。研究團隊將論文發表在《Nature Electronics》期刊上。

研究論文傳送門

功率電晶體的電阻會隨著電壓提升,降低轉換效率

電源轉換器內有功率電晶體(power transistor),是種能夠承受高電壓的半導體元件。但它的電阻會隨著標稱電壓(nominal voltage)提高而增加,在電動車、再生能源電網等高功率系統下,這會大幅降低轉換效率,進而降低充電速度、續航力與再生能源效率。

POWERlab 的負責人 Elison Matioli 與團隊共同開發一種電晶體,能大幅降低電阻,並減少大功率系統的熱量損失。它的電阻不到傳統電晶體的一半,並能承受超過 1,000 V 的電壓。

2 個技術創新:多導電通道、漏斗狀結構氮化鎵奈米線材

該電晶體有兩個技術創新。一是在元件中建立多個導電通道,這能分散電流,就像是在高速公路建立新車道,降低壅塞的狀況。團隊研究助理 Luca Nela 表示,多通道設計能分散電流,降低電阻,避免過熱的問題。

第二項創新,是使用氮化鎵製成的奈米線材。目前奈米線材已用於低功耗晶片,能應用在手機、筆電等低功耗設備,但不適合用於電動車等高電壓設備。POWERlab 開發直徑 15 奈米的線材,它有漏斗狀結構,使其能支援超過 1,000 V 的高電壓。

由於這兩項創新,新型電晶體能在高功率系統中保持高轉換效率。Matioli 表示,團隊開發的原型機性能,是文獻中最好的氮化鎵功率元件的兩倍。

關於該電晶體的未來,Matioli 表示,雖然技術還在實驗階段,但量產的障礙應該不大。隨著電動車與再生能源的發展,產業界不斷提高這類能在高電壓環境高效運作的晶片的需求,目前已有製造商有興趣與 Matioli 的團隊合作,共同開發技術。

參考資料

Nature Electronics》、《TechXplore

(本文提供合作夥伴轉載。首圖來源:Pixabay CC Licensed

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