Transistor al diamante

INTERNO all'elettronica di potenza

I ricercatori dell'Arizona State University e della Northrop Grumman stanno lavorando a un nuovo progetto per creare transistor di potenza dal diamante. I risultati potrebbero produrre efficienze che riducono significativamente le dimensioni delle sottostazioni della rete elettrica e potenzialmente riducono il costo delle torri dei telefoni cellulari.

I transistor di potenza sono stati tradizionalmente realizzati con silicio. Ma il team ASU Advanced Materials, in collaborazione con Northrop Grumman Mission Systems, sta studiando il diamante perché dissipa il calore da 8 a 10 volte in modo più efficiente rispetto ai materiali attuali. Ciò significa che sfruttare al massimo il potenziale del diamante potrebbe ridurre le dimensioni dei transistor di potenza del 90%.

Il diamante ha anche un campo di rottura elevato, il che significa che può gestire una grande quantità di tensione rispetto alla maggior parte degli altri materiali, prima del cedimento. Un campo di rottura elevato è ideale per applicazioni che gestiscono grandi quantità di energia, il che potrebbe rendere questi nuovi transistor vitali per far avanzare la nostra transizione verso le energie rinnovabili e l’elettrificazione del settore dei trasporti.

Il silicio è da tempo il materiale standard per i dispositivi a semiconduttore. I transistor di potenza regolano il flusso di energia elettrica e sono stati tradizionalmente realizzati con silicio, mentre i transistor moderni più avanzati sono realizzati con materiali come carburo di silicio o nitruro di gallio.

Trevor Thornton, professore di ingegneria elettrica presso la Ira A. Fulton Schools of Engineering presso l'Arizona State University, sta guidando un team di ricerca sull'uso di due nuovi materiali per transistor: diamante e nitruro di boro.

Sebbene il diamante sia il materiale scelto dal gruppo di ricerca per il corpo principale di un transistor, si sta studiando l'uso del nitruro di boro per i contatti elettrici dei transistor. Come il diamante, il nitruro di boro ha un elevato campo di degradazione e un'elevata conduttività termica.

Il team di ricerca si aspetta che, combinando le loro conoscenze su come funzionano il diamante e il nitruro di boro come materiali per transistor, si possano creare transistor realizzati con entrambi i materiali. La speranza del team è che i materiali si completino a vicenda e funzionino ancora meglio insieme che individualmente.

Questa ricerca ha applicazioni che sarebbero particolarmente utili per le tecnologie delle comunicazioni. Molti satelliti, ad esempio, funzionano con l’energia solare, che richiede transistor per trasformare l’elettricità in una forma utilizzabile dal satellite.

"Non è possibile lanciare una sottostazione elettrica nello spazio", ha detto Thornton. "Quindi, qualsiasi miglioramento delle dimensioni e del peso di un satellite ha un impatto enorme."

Un'altra tecnologia di comunicazione che i transistor potrebbero migliorare è un po' più vicina a casa: i ripetitori dei telefoni cellulari. I transistor convertono l'energia nella forma corretta necessaria per produrre le frequenze radio utilizzate dai telefoni cellulari.

Thornton ha affermato che una delle maggiori sfide affrontate durante la progettazione e il funzionamento delle torri per telefoni cellulari è mantenerle fresche. Ciò è particolarmente vero in un ambiente caldo come Phoenix.

I transistor di potenza nelle torri dei telefoni cellulari più vecchi sono generalmente realizzati in silicio, mentre quelli nei nuovi sistemi 5G utilizzeranno nitruro di gallio. Grazie alla migliore dissipazione del calore, il team di Thornton prevede che i transistor realizzati con diamante e nitruro di boro ridurranno notevolmente la potenza di raffreddamento necessaria per le torri cellulari. Ciò rende molto più semplice il compito di evitare il surriscaldamento delle torri cellulari.

Mentre il progetto con Northrop Grumman Mission Systems si concentra sulla tecnologia delle comunicazioni, i transistor realizzati in diamante e nitruro di boro trovano applicazione anche nella conversione di potenza per i sistemi elettrici e per la rete elettrica. Questi materiali più efficienti potrebbero ridurre i requisiti dimensionali per le sottostazioni della rete elettrica. Le sottostazioni occupano tipicamente un'area di terreno delle dimensioni di un edificio. "Ci piacerebbe renderli più piccoli e più efficienti", ha detto Thornton.

Robert Nemanich, membro della facoltà del Dipartimento di Fisica dell'ASU, guida un gruppo che conduce ricerche sull'elettronica di potenza chiamato ULTRA Energy Frontier Research Center. Dirige anche un laboratorio per la coltivazione di materiale diamantato artificiale, che verrà utilizzato dal team di Thornton nelle loro ricerche. "Negli ultimi 10 anni abbiamo coltivato diamanti per i dispositivi elettronici", ha affermato Nemanich. "Crediamo che il nostro laboratorio per la deposizione dei diamanti abbia capacità uniche per lo sviluppo di materiali e dispositivi elettronici."