Il transistor elettronico che stavi aspettando. Come imprigionare più energia in un’auto elettrica? La risposta potrebbe trovarsi nei transistor elettronici di ossido di gallio, che potrebbero consentire alle case automobilistiche di aumentare la produzione di energia, mantenendo i veicoli leggeri e snelli nella progettazione.
In una recente ricerca – riportata nel numero di settembre della rivista IEEE Electron Device Letters – illustra come questa tecnologia in evoluzione potrebbe svolgere un ruolo chiave nel miglioramento dei veicoli elettrici, dell’energia solare e di altre forme di energia rinnovabile.
“Per far progredire queste tecnologie, abbiamo bisogno di nuovi componenti elettrici con capacità di gestione della potenza più grandi e più efficienti”, dice l’autore principale dello studio Uttam Singisetti, Ph.D., professore associato di ingegneria elettrica nella Scuola di ingegneria e scienze applicate di UB. “L’ossido di gallio apre nuove possibilità che non possiamo raggiungere con i semiconduttori esistenti”.
Il materiale semiconduttore più usato è il silicio. Per anni, gli scienziati hanno fatto affidamento su di esso per manipolare maggiori quantità di energia nei dispositivi elettronici. Ma gli scienziati stanno esaurendo i modi per massimizzare il silicio come semiconduttore, motivo per cui stanno esplorando altri materiali come il carburo di silicio, il nitruro di gallio e l’ossido di gallio.
Come imprigionare più energia in un’auto elettrica?
Mentre l’ossido di gallio ha una scarsa conduttività termica, il suo bandgap (circa 4,8 elettronvolt) supera quello del carburo di silicio (circa 3,4 elettronvolt), il nitruro di gallio (circa 3,3 elettronvolt) e il silicio (1,1 elettronvolt).
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Il ricercatore misura quanta energia è necessaria per far scattare un elettrone in uno stato di conduzione. I sistemi realizzati con materiale a banda proibita possono essere più sottili, più leggeri e gestire una maggiore potenza rispetto ai sistemi costituiti da materiali con bande proibite più basse. Inoltre, l’elevata banda proibita consente di far funzionare questi sistemi a temperature più elevate, riducendo la necessità di ingombranti sistemi di raffreddamento.
Il transistor ha una tensione di rottura di 1.850 volt, che raddoppia il record per un semiconduttore di ossido di gallio, dicono i ricercatori. La tensione di scarica è la quantità di elettricità necessaria per trasformare un materiale (in questo caso l’ossido di gallio) da un isolante a un conduttore. Maggiore è la tensione di scarica, maggiore è la potenza che il dispositivo è in grado di gestire.
A causa delle dimensioni relativamente grandi del transistor, non è l’ideale per smartphone e altri piccoli gadget, dice lo scienziato. Ma potrebbe essere utile per regolare il flusso di energia in operazioni su larga scala come le centrali elettriche che raccolgono energia solare ed eolica, così come i veicoli elettrici tra cui auto, treni e aerei.
“Abbiamo potenziato le capacità di gestione della potenza dei transistor aggiungendo più silicio, ma purtroppo questo aggiunge più peso, il che diminuisce l’efficienza di questi dispositivi”. “L’ossido di gallio può permetterci di raggiungere, e alla fine superare, i dispositivi a base di silicio usando meno materiali, il che potrebbe portare a veicoli elettrici più leggeri e più efficienti dal punto di vista dei consumi”.
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Per imprigionare più energia in un’auto elettrica, alcune sfide devono ancora essere affrontate. In particolare, i sistemi a base di ossido di gallio devono essere progettati in modo da superare la bassa conduttività termica dei materiali.