近日，格拉斯哥大學(xué)研究人員主導(dǎo)的一項(xiàng)研究取得了里程碑式的進(jìn)展，有望助力創(chuàng)造用于高功率電子產(chǎn)品的新一代金剛石晶體管。

此前，技術(shù)發(fā)展存在諸多局限，而新型金剛石晶體管成功克服了這些問題，讓這類設(shè)備更接近在依賴高功率系統(tǒng)的眾多行業(yè)中實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。

研究團(tuán)隊(duì)找到了一種全新方法，以金剛石作為晶體管的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了晶體管默認(rèn)處于關(guān)閉狀態(tài)。這一突破對于確保開啟時(shí)可承載大量電流的設(shè)備的安全性至關(guān)重要。

鉆石具備一種名為寬帶隙的固有特性，這意味著它能承受比硅（大多數(shù)晶體管的常用材料）高得多的電壓，才會發(fā)生電擊穿。在電力電子應(yīng)用領(lǐng)域，這表明由鉆石這類材料制成的晶體管，能夠承受比硅晶體管高得多的電壓，進(jìn)而提供更高的功率。

該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的金剛石晶體管，可應(yīng)用于對電壓要求高且高度注重效率的領(lǐng)域，比如電網(wǎng)或電動汽車。

這項(xiàng)研究由格拉斯哥大學(xué)詹姆斯瓦特工程學(xué)院的戴維?莫蘭教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成，合作伙伴來自澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)和美國普林斯頓大學(xué)，研究成果發(fā)表于《先進(jìn)電子材料》雜志。

莫蘭教授表示：“晶體管本質(zhì)上是控制電流的開關(guān)。計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)等設(shè)備會使用數(shù)十億個(gè)微小的硅基晶體管，它們耗電量極少；而電力電子設(shè)備使用的開關(guān)數(shù)量少得多，但功率水平卻高得多。電力電子面臨的挑戰(zhàn)在于，開關(guān)的設(shè)計(jì)既要在不使用時(shí)保持牢固關(guān)閉以符合安全標(biāo)準(zhǔn)，開啟時(shí)又必須能提供非常高的功率。此前最先進(jìn)的金剛石晶體管，往往只能擅長其中一種功能，而犧牲另一種功能 —— 開關(guān)擅長保持關(guān)閉狀態(tài)，卻不太擅長按需提供電流，反之亦然。我們成功設(shè)計(jì)出了在兩種功能上都表現(xiàn)出色的金剛石晶體管，這是一個(gè)重大突破?！?/p>

在格拉斯哥大學(xué)詹姆斯瓦特納米制造中心，研究小組運(yùn)用表面化學(xué)技術(shù)來提升金剛石的性能，先給金剛石涂上氫原子，然后再涂覆氧化鋁層。

他們研發(fā)的金剛石晶體管需要 6 伏電壓才能開啟，是之前金剛石晶體管的兩倍多，同時(shí)在激活時(shí)仍能輸出大電流。此外，他們還提高了電荷在器件中的移動效率，性能比傳統(tǒng)金剛石晶體管提升了一倍。從實(shí)際應(yīng)用角度來看，這意味著電荷能在器件中更自由地移動，從而提高了器件的效率。當(dāng)設(shè)備關(guān)閉時(shí)，其電阻極高，測量結(jié)果低于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的本底噪聲，這意味著設(shè)備關(guān)閉時(shí)幾乎沒有電流泄漏，這是高功率應(yīng)用的關(guān)鍵安全特性。

莫蘭教授還補(bǔ)充道：“這些成果確實(shí)令人振奮，讓金剛石晶體管比以往任何時(shí)候都更接近發(fā)揮其潛力。金剛石是一種常被人們與奢侈品聯(lián)系在一起的材料，但其生產(chǎn)成本卻出奇地低。不過，在金剛石晶體管準(zhǔn)備好被制造業(yè)廣泛推廣之前，仍有一些挑戰(zhàn)亟待解決。我們期望我們的研究能在未來幾年推動金剛石晶體管在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用。”