Революционная установка из карбида кремния улучшит электромобили и электропоезда

Электрокар
Фото: Unsplash | Зарядка электроавтомобиля

Инженеры дорабатывают технологию, которая сделает электротранспорт более мощным при меньших размерах и затратах энергии.

Японские ученые разработали новую силовую установку, которая должна значительно улучшить возможности электрических автомобилей, поездов и других транспортных средств. Они опубликовали исследование в журнале Physical Status Solidi.

Униполярные полупроводники из карбида кремния (SiC) уже широко применяются в промышленности, однако мешает так называемой "ловушка-22" — проблема соотношения между удельным сопротивлением в открытом состоянии, напряжением пробоя и удельным сопротивлением в дрейфовом поле, где перемещаются заряженные частицы. Ученые использовали структуру "суперперехода", которая определяет размещение отрицательных и положительных слоев в дрейфовом поле, и заставили устройство работать в двух полярностях.

Команда физиков из Японии изучала дефекты распределения слоев в биполярных диодах карбида кремния, созданных при помощи легирования алюминия. Процесс предусматривает "пересадку" ионов путем послойного осаждения полупроводника на подложку и "бомбардировки" полупроводниковых слоев частицами с большим энергетическим зарядом. В результате глубоко внутри материала могут возникать дефекты, снижающие характеристики изделия. Во время экспериментов исследователи нашли оптимальное расстояние для передачи ионов, которое позволит избежать проблем.

"Наше исследование показывает, что ионная имплантация в биполярные устройства из SiC требует, чтобы обработка проводилась на расстоянии не менее 20 мкм от активных областей", — заявил руководитель исследования Масаси Като, доцент из Технологического института Нагоя, в комментарии Interesting Engineering.

легирование алюминия
Схема создания полупроводника путем легирования алюминия
Фото: interestingengineering.com

Ученые создали два диода из карбида кремния с использованием p-слоев, легированных алюминием. Один из них был изготовлен методом эпитаксии (наращивания кристаллов), а другой — ионной имплантации. После этого они оценили распределение дефектов в обоих изделиях с помощью глубокой нестационарной спектроскопии (DLTS), которая позволила им оценить свойства с помощью катодолюминесценции — свечения вещества после обстрела быстрыми лучами из электронов.

Осаждение слоя p-типа посредством эпитаксиального роста не вызвало повреждений в соседних слоях n-типа, однако показало нестабильность, приводящую к образованию дефектов на глубоком уровне. В то же время, удельное сопротивление такого диода в открытом состоянии было очень низким.

По словам Масаси Като, низкое энергопотребление силовых установок на основе карбида кремния станет критически важным для будущего электротранспорта. Внедрение новой технологии позволит увеличить производительность, энергоэффективность полностью электрических транспортных средств, уменьшив их размеры.

"Наши результаты помогут создать оптимальную конструкцию силовых устройств из карбида кремния, которые вскоре будут использоваться в электромобилях, поездах и т. д.", — подчеркнул ученый.

Ранее писали о том, что другая группа ученых придумала вагоны-аккумуляторы для запуска электропоездов. Согласно расчетам, такой состав сможет проехать на одном заряде до 241 км и легко заменит дизельные локомотивы.

Сообщали также, что NASA в 2022 году планирует запустить в небо свой электросамолет X-57. Инженеры потратили более пяти лет, чтобы переделать Tecnam P2006T под электрические двигатели и уже проводят наземные испытания в США.