Transistores de diamante

Electrónica de potencia

Investigadores de la Universidad Estatal de Arizona y Northrop Grumman están trabajando en un nuevo proyecto para crear transistores de potencia a partir de diamantes. Los resultados podrían generar eficiencias que reduzcan significativamente el tamaño de las subestaciones de la red eléctrica y, potencialmente, reduzcan el costo de las torres de telefonía celular.

Los transistores de potencia se han fabricado tradicionalmente con silicio. Pero el equipo de Materiales Avanzados de ASU, en colaboración con Northrop Grumman Mission Systems, está investigando el diamante porque disipa el calor de 8 a 10 veces más eficientemente que los materiales actuales. Esto significa que aprovechar todo el potencial del diamante podría reducir el tamaño de los transistores de potencia en un 90 por ciento.

Diamond también tiene un alto campo de ruptura, lo que significa que puede manejar una gran cantidad de voltaje en relación con la mayoría de los otros materiales, antes de fallar. Un campo de ruptura alto es ideal para aplicaciones que manejan grandes cantidades de energía, lo que podría hacer que estos nuevos transistores sean vitales para avanzar en nuestra transición hacia la energía renovable y la electrificación del sector del transporte.

El silicio ha sido durante mucho tiempo el material estándar para los dispositivos semiconductores. Los transistores de potencia regulan el flujo de energía eléctrica y tradicionalmente se fabrican con silicio, mientras que los transistores modernos más avanzados se fabrican con materiales como el carburo de silicio o el nitruro de galio.

Trevor Thornton, profesor de ingeniería eléctrica en las Escuelas de Ingeniería Ira A. Fulton de la Universidad Estatal de Arizona, dirige un equipo que investiga el uso de dos nuevos materiales para transistores: diamante y nitruro de boro.

Si bien el diamante es el material elegido por el equipo de investigación para el cuerpo principal de un transistor, están investigando el uso de nitruro de boro para los contactos eléctricos de los transistores. Al igual que el diamante, el nitruro de boro tiene un alto campo de ruptura y una alta conductividad térmica.

El equipo de investigación espera que al combinar su conocimiento sobre cómo funcionan el diamante y el nitruro de boro como materiales de transistores, puedan crear transistores hechos de ambos materiales. La esperanza del equipo es que los materiales se complementen entre sí y funcionen incluso mejor juntos que individualmente.

Esta investigación tiene aplicaciones que serían especialmente útiles para las tecnologías de la comunicación. Muchos satélites, por ejemplo, funcionan con energía solar, lo que requiere transistores para convertir la electricidad en una forma utilizable por el satélite.

"No se puede lanzar una subestación de energía al espacio", dijo Thornton. "Entonces, cualquier mejora en el tamaño y el peso de un satélite tiene un gran impacto".

Otra tecnología de comunicaciones que los transistores podrían mejorar está un poco más cerca de casa: las torres de telefonía celular. Los transistores convierten la energía a la forma adecuada necesaria para producir las frecuencias de radio que usan los teléfonos celulares.

Thornton dijo que uno de los mayores desafíos que se enfrentan al diseñar y operar torres de telefonía celular es mantenerlas frescas. Este es especialmente el caso en un ambiente cálido como Phoenix.

Los transistores de potencia en las torres de telefonía celular más antiguas generalmente están hechos de silicio, mientras que los de los sistemas 5G más nuevos usarán nitruro de galio. Gracias a su disipación de calor mejorada, el equipo de Thornton espera que los transistores hechos de nitruro de boro y diamante reduzcan en gran medida la potencia de enfriamiento necesaria para las torres de telefonía. Esto hace que la tarea de evitar que las torres de telefonía celular se sobrecalienten sea mucho más fácil.

Si bien el proyecto con Northrop Grumman Mission Systems se centra en la tecnología de las comunicaciones, los transistores hechos de diamante y nitruro de boro también tienen aplicaciones en la conversión de energía para sistemas eléctricos y para la red eléctrica. Estos materiales más eficientes podrían reducir los requisitos de tamaño para las subestaciones de la red eléctrica. Las subestaciones suelen ocupar un área de terreno del tamaño de un edificio. "Nos gustaría hacerlos más pequeños y más eficientes", dijo Thornton.

Robert Nemanich, miembro de la facultad en el Departamento de Física de ASU, dirige un grupo que realiza investigaciones sobre electrónica de potencia llamado ULTRA Energy Frontier Research Center. También dirige un laboratorio para el cultivo de material de diamante artificial, que será utilizado por el equipo de Thornton en su investigación. "Hemos cultivado diamantes para dispositivos electrónicos durante los últimos 10 años", dijo Nemanich. "Creemos que nuestro laboratorio de deposición de diamantes tiene capacidades únicas para el desarrollo de materiales y dispositivos electrónicos".

Además de la experiencia en ingeniería eléctrica de Thornton y el trabajo de Nemanich con el diamante como material electrónico, Terry Alford, otro miembro de la facultad de las escuelas de Fulton, brinda su experiencia en ciencia de los materiales. Alford está trabajando en la caracterización de materiales, analizando las propiedades de los materiales que el equipo está investigando. También lidera una parte de la investigación que investiga el uso de nuevos tipos de contactos eléctricos metálicos conectados al diamante como sustrato.

El proyecto de investigación de transistores está financiado por dos años a través de su asociación con Northrop Grumman Mission Systems. Sin embargo, para realizar plenamente el potencial de los transistores para aplicaciones generalizadas, Thornton dijo que podría llevar más tiempo.

"Tendremos avances, pero no veo que se adopte ampliamente en la forma en que estamos hablando durante cinco a 10 años", dice. "Es ese tipo de investigación de mediano a largo plazo para el cual algunas aplicaciones ocurrirán más rápido, mientras que otras serán de 10 años para aplicaciones de consumo generalizadas".

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