Transistores de Diamante

INSIDER em Eletrônica de Potência

Pesquisadores da Arizona State University e da Northrop Grumman estão trabalhando em um novo projeto para criar transistores de potência a partir do diamante. Os resultados podem gerar eficiências que reduzem significativamente o tamanho das subestações da rede elétrica e potencialmente reduzem o custo das torres de telefonia celular.

Os transistores de potência são tradicionalmente feitos de silício. Mas a equipe de materiais avançados da ASU, trabalhando com a Northrop Grumman Mission Systems, está investigando o diamante porque ele dissipa o calor de 8 a 10 vezes mais eficientemente do que os materiais atuais. Isso significa que aproveitar o diamante em todo o seu potencial pode reduzir o tamanho dos transistores de potência em 90%.

O diamante também possui um alto campo de ruptura, o que significa que pode lidar com uma grande quantidade de tensão em relação à maioria dos outros materiais, antes da falha. Um campo de alta quebra é ideal para aplicações que lidam com grandes quantidades de energia, o que pode tornar esses novos transistores vitais para o avanço de nossa transição para energia renovável e eletrificação do setor de transporte.

O silício tem sido o material padrão para dispositivos semicondutores. Os transistores de potência regulam o fluxo de energia elétrica e são tradicionalmente feitos de silício, enquanto os transistores modernos mais avançados são feitos de materiais como carboneto de silício ou nitreto de gálio.

Trevor Thornton, professor de engenharia elétrica nas Escolas de Engenharia Ira A. Fulton da Arizona State University, está liderando uma equipe que pesquisa o uso de dois novos materiais de transistores: diamante e nitreto de boro.

Embora o diamante seja o material escolhido pela equipe de pesquisa para o corpo principal de um transistor, eles estão investigando o uso de nitreto de boro para os contatos elétricos dos transistores. Como o diamante, o nitreto de boro tem um alto campo de degradação e alta condutividade térmica.

A equipe de pesquisa espera que, combinando seu conhecimento de como o diamante e o nitreto de boro funcionam como materiais de transistores, eles possam criar transistores feitos de ambos os materiais. A esperança da equipe é que os materiais se complementem e funcionem ainda melhor juntos do que individualmente.

Esta pesquisa tem aplicações que seriam especialmente úteis para as tecnologias de comunicação. Muitos satélites, por exemplo, funcionam com energia solar, o que requer transistores para transformar a eletricidade em uma forma utilizável pelo satélite.

"Você não pode lançar uma subestação de energia no espaço", disse Thornton. "Portanto, qualquer melhoria no tamanho e peso de um satélite tem um impacto enorme."

Outra tecnologia de comunicação que os transistores poderiam melhorar é um pouco mais próxima de casa: torres de telefonia celular. Os transistores convertem energia para a forma adequada necessária para produzir as frequências de rádio usadas pelos telefones celulares.

Thornton disse que um dos maiores desafios enfrentados ao projetar e operar torres de telefonia celular é mantê-las resfriadas. Este é especialmente o caso em um ambiente quente como Phoenix.

Os transistores de energia em torres de telefonia celular mais antigas são normalmente feitos de silício, enquanto aqueles em sistemas 5G mais novos usam nitreto de gálio. Graças à sua melhor dissipação de calor, a equipe de Thornton espera que os transistores feitos de diamante e nitreto de boro reduzam bastante a potência de resfriamento necessária para as torres de celular. Isso facilita muito a tarefa de evitar o superaquecimento das torres de celular.

Enquanto o projeto com a Northrop Grumman Mission Systems se concentra na tecnologia de comunicações, os transistores feitos de diamante e nitreto de boro também têm aplicações na conversão de energia para sistemas elétricos e para a rede elétrica. Esses materiais mais eficientes podem reduzir os requisitos de tamanho para as subestações da rede elétrica. As subestações normalmente ocupam uma área de terreno do tamanho de um edifício. "Gostaríamos de torná-los menores e mais eficientes", disse Thornton.

Robert Nemanich, membro do corpo docente do Departamento de Física da ASU, lidera um grupo que conduz pesquisas sobre eletrônica de potência chamado ULTRA Energy Frontier Research Center. Ele também lidera um laboratório para o cultivo de material de diamante artificial, que será usado pela equipe de Thornton em suas pesquisas. "Temos cultivado diamantes para dispositivos eletrônicos nos últimos 10 anos", disse Nemanich. "Acreditamos que nosso laboratório de deposição de diamantes possui recursos exclusivos para o desenvolvimento de materiais e dispositivos eletrônicos."