Transistors Diamant

Électronique de puissance INITIÉ

Des chercheurs de l'Arizona State University et de Northrop Grumman travaillent sur un nouveau projet pour créer des transistors de puissance à partir de diamant. Les résultats pourraient produire des gains d'efficacité qui réduisent considérablement la taille des sous-stations du réseau électrique et potentiellement le coût des tours de téléphonie cellulaire.

Les transistors de puissance sont traditionnellement fabriqués avec du silicium. Mais l'équipe ASU Advanced Materials, en collaboration avec Northrop Grumman Mission Systems, étudie le diamant car il dissipe la chaleur 8 à 10 fois plus efficacement que les matériaux actuels. Cela signifie que l'exploitation du diamant à son plein potentiel pourrait réduire la taille des transistors de puissance de 90 %.

Le diamant a également un champ de claquage élevé, ce qui signifie qu'il peut supporter une grande quantité de tension par rapport à la plupart des autres matériaux, avant de tomber en panne. Un champ de claquage élevé est idéal pour les applications qui gèrent de grandes quantités d'énergie, ce qui pourrait rendre ces nouveaux transistors essentiels pour faire avancer notre transition vers les énergies renouvelables et l'électrification du secteur des transports.

Le silicium a longtemps été le matériau standard pour les dispositifs à semi-conducteurs. Les transistors de puissance régulent le flux d'énergie électrique et sont traditionnellement fabriqués avec du silicium, tandis que les transistors modernes plus avancés sont constitués de matériaux tels que le carbure de silicium ou le nitrure de gallium.

Trevor Thornton, professeur de génie électrique à la Ira A. Fulton Schools of Engineering de l'Arizona State University, dirige une équipe de recherche sur l'utilisation de deux nouveaux matériaux de transistor : le diamant et le nitrure de bore.

Alors que le diamant est le matériau choisi par l'équipe de recherche pour le corps principal d'un transistor, ils étudient l'utilisation du nitrure de bore pour les contacts électriques des transistors. Comme le diamant, le nitrure de bore a un champ de claquage élevé et une conductivité thermique élevée.

L'équipe de recherche s'attend à ce qu'en combinant leurs connaissances sur le fonctionnement du diamant et du nitrure de bore en tant que matériaux de transistor, ils puissent créer des transistors fabriqués à partir des deux matériaux. L'espoir de l'équipe est que les matériaux se complètent et fonctionnent encore mieux ensemble qu'individuellement.

Cette recherche a des applications qui seraient particulièrement utiles aux technologies des communications. De nombreux satellites, par exemple, fonctionnent à l'énergie solaire, ce qui nécessite des transistors pour transformer l'électricité en une forme utilisable par le satellite.

"Vous ne pouvez pas lancer une sous-station électrique dans l'espace", a déclaré Thornton. "Ainsi, toute amélioration de la taille et du poids d'un satellite a un impact énorme."

Une autre technologie de communication que les transistors pourraient améliorer est un peu plus proche de chez nous : les tours de téléphonie cellulaire. Les transistors convertissent l'énergie sous la forme appropriée nécessaire pour produire les fréquences radio utilisées par les téléphones portables.

Thornton a déclaré que l'un des plus grands défis rencontrés lors de la conception et de l'exploitation des tours de téléphonie cellulaire est de les garder au frais. C'est particulièrement le cas dans un environnement chaud comme Phoenix.

Les transistors de puissance des anciennes tours de téléphonie cellulaire sont généralement fabriqués à partir de silicium, tandis que ceux des nouveaux systèmes 5G utilisent du nitrure de gallium. Grâce à leur dissipation thermique améliorée, l'équipe de Thornton s'attend à ce que les transistors fabriqués à partir de diamant et de nitrure de bore réduisent considérablement la puissance de refroidissement nécessaire aux tours cellulaires. Cela rend la tâche d'empêcher les tours cellulaires de surchauffer beaucoup plus facilement.

Alors que le projet avec Northrop Grumman Mission Systems se concentre sur la technologie des communications, les transistors fabriqués à partir de diamant et de nitrure de bore ont également des applications dans la conversion de puissance pour les systèmes électriques et pour le réseau électrique. Ces matériaux plus efficaces pourraient réduire les exigences de taille pour les sous-stations du réseau électrique. Les sous-stations occupent généralement une superficie de terrain de la taille d'un bâtiment. "Nous aimerions les rendre plus petits et plus efficaces", a déclaré Thornton.

Robert Nemanich, membre du corps professoral du département de physique de l'ASU, dirige un groupe de recherche sur l'électronique de puissance appelé ULTRA Energy Frontier Research Center. Il dirige également un laboratoire de culture de diamants artificiels, qui sera utilisé par l'équipe de Thornton dans ses recherches. "Nous cultivons du diamant pour les appareils électroniques depuis 10 ans", a déclaré Nemanich. "Nous pensons que notre laboratoire de dépôt de diamants possède des capacités uniques pour le développement de matériaux et d'appareils électroniques."

En plus de l'expertise en génie électrique de Thornton et du travail de Nemanich sur le diamant en tant que matériau électronique, Terry Alford, un autre membre du corps professoral des écoles Fulton, apporte son expertise en science des matériaux. Alford travaille sur la caractérisation des matériaux, analysant les propriétés des matériaux sur lesquels l'équipe étudie. Il dirige également une partie des recherches portant sur l'utilisation de nouveaux types de contacts électriques métalliques connectés au diamant comme substrat.

Le projet de recherche sur les transistors est financé pendant deux ans grâce à leur partenariat avec Northrop Grumman Mission Systems. Cependant, pour réaliser pleinement le potentiel des transistors pour des applications étendues, Thornton a déclaré que cela pourrait prendre plus de temps.

"Nous aurons des percées, mais je ne pense pas que cela soit largement adopté de la manière dont nous parlons pendant cinq à 10 ans", dit-il. "C'est ce genre de recherche à moyen et long terme pour laquelle certaines applications se produiront plus rapidement, tandis que d'autres prendront 10 ans pour des applications grand public."

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