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Los transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido de metal (MOSFET) son componentes de uso común en todo tipo de dispositivos electrónicos, sin embargo, son especialmente frecuentes en el sector automotriz, donde son un componente crucial utilizado para encender y apagar la electrónica de alta potencia extremadamente rápido .
Ahora, los ingenieros eléctricos de la Universidad de Buffalo apuntan a llevar los MOSFET un paso más allá al basarlos en óxido de galio, algo que ha permitido al equipo averiguar cómo manejar voltajes extremadamente altos de más de 8,000 V.
En un estudio publicado por el equipo de investigación en la edición de junio de IEEE Electron Device Letters, el equipo de ingenieros eléctricos describe cómo su pequeño interruptor electrónico puede manejar un voltaje tan alto a pesar de su perfil súper pequeño y delgado.

Bandgap 'Elite' de óxido de galio

El equipo de investigación de Buffalo ha estado estudiando el potencial del óxido de galio durante bastante tiempo, y los trabajos anteriores del equipo incluyen la exploración de transistores hechos del material. Su razón para concentrarse tanto en el óxido de galio es su banda prohibida, la cantidad de energía requerida para sacudir un electrón en un estado conductor.
Los sistemas que usan materiales con bandas de banda más anchas pueden ser más delgados, livianos y manejan más potencia que los sistemas que usan materiales con bandas de banda más bajas. La banda prohibida del óxido de galio es de alrededor de 4,8 voltios de electrones, lo que, según el equipo de investigación, lo ubica entre un grupo de materiales "de élite".
Por el contrario, el material más utilizado en electrónica de potencia, el silicio, tiene un intervalo de banda de 1,1 voltios de electrones, y los posibles reemplazos de silicio, como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN) tienen aproximadamente 3,4 y 3,3 voltios de electrones, respectivamente. Debido a la brecha de banda ultra ancha del óxido de galio, el interruptor electrónico del equipo podría reducirse al ancho de un trozo de papel.

Los MOSFETS, como el que se muestra arriba, se utilizan para alimentar vehículos eléctricos y otros dispositivos electrónicos. El diseño de óxido de galio del equipo Buffalo puede hacerlos más eficientes. Imagen acreditada a SparkFun Electronics

Pasivación

En cuanto a la capacidad del material para manejar un voltaje tan alto a pesar de ser tan pequeño, esto se logró mediante un proceso químico conocido como "pasivación". Esto implica recubrir el dispositivo de conmutación electrónica en una capa de SU-8, un polímero a base de epoxi comúnmente utilizado en microelectrónica, para reducir la reactividad química de su superficie.
Después de las pruebas, los resultados del equipo demostraron que el transistor puede manejar 8.032 voltios antes de descomponerse, que es más que transistores diseñados de SiC y GaN. Y cuanto mayor es el voltaje de ruptura, más potencia puede manejar un dispositivo. "La capa de pasivación es una forma simple, eficiente y rentable de aumentar el rendimiento de los transistores de óxido de galio", dice el autor principal del estudio, Uttam Singisetti.

Sistemas electrónicos más pequeños y más eficientes

El nuevo transistor del equipo de investigación podría conducir a sistemas electrónicos más pequeños y más eficientes que controlan y convierten la energía eléctrica en aplicaciones tales como vehículos eléctricos, aviones y locomotoras.
"Para impulsar realmente estas tecnologías hacia el futuro, necesitamos componentes electrónicos de próxima generación que puedan manejar mayores cargas de energía sin aumentar el tamaño de los sistemas electrónicos de potencia", agregó Singisetti. Con sistemas de energía electrónicos más eficientes, estos vehículos podrían viajar más lejos y funcionar durante más tiempo entre ciclos de carga.