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Comment donner plus de puissance à une voiture électrique? La réponse pourrait être des transistors électroniques en oxyde de gallium, qui pourraient permettre aux constructeurs d’automobiles d’augmenter la production d’énergie tout en maintenant la légèreté de leur véhicule.

Améliorer l’autonomie des appareil électriques

Un récent progrès publié dans le numéro de septembre de la revue IEEE Electron Device Letters illustre comment cette technologie en évolution pourrait jouer un rôle-clé dans l’amélioration des véhicules électriques, de l’énergie solaire et d’autres formes d’énergie renouvelable.

«Pour faire progresser ces technologies, nous avons besoin de nouveaux composants électriques dotés de capacités de traitement de l’électricité plus efficaces», explique le principal auteur de l’étude, Uttam Singisetti, professeur agrégé en génie électrique à la faculté d’ingénierie et des sciences appliquées de l’UB. « L’oxyde de gallium ouvre de nouvelles possibilités que nous ne pouvions pas atteindre avec les semi-conducteurs existants. »

3Une image d’un microscope optique montrant un réseau du transistor. Les trois flèches sombres sont des sondes à aiguille en contact avec les bornes du transistor pour faire la mesure électrique. Crédit: Ke Zeng, Université de Buffalo.

Le silicium est le matériau semi-conducteur le plus utilisé. Pendant des années, les scientifiques ont compté sur lui pour manipuler de plus grandes quantités d’électricité dans les appareils électroniques. Mais les scientifiques sont à court de moyens pour maximiser le silicium en tant que semi-conducteur, c’est la raison pour laquelle ils explorent d’autres matériaux tels que le carbure de silicium, le nitrure de gallium et l’oxyde de gallium.

Une meilleure bande d’énergie

Alors que l’oxyde de gallium présente une faible conductivité thermique, sa bande d’énergie (environ 4,8 électron-volts) dépasse celle du carbure de silicium (environ 3,4 électron-volts), le nitrure de gallium (environ 3,3 électron-volts) et le silicium (1,1 électron-volt)

La bande d’énergie mesure la quantité d’énergie nécessaire pour éjecter un électron dans un état conducteur. Les systèmes fabriqués avec un matériau à grande bande d’énergie peuvent être plus fins, plus légers et plus puissants que les systèmes composés de matériaux à faible bande d’énergie. En outre, une bande d’énergie élevée permet de faire fonctionner ces systèmes à des températures plus élevées, ce qui réduit les besoins de systèmes de refroidissement encombrants.

Singisetti et ses étudiants (Ke Zeng et Abhishek Vaidya) ont fabriqué un transistor à effet de champ en métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET) en oxyde de gallium de 5 micromètres de largeur. Une feuille de papier mesure environ 100 micromètres de largeur.

Ce transistor a une tension de claquage de 1850 volts, ce qui fait plus que doubler le record d’un semi-conducteur fait d’oxyde de gallium, selon les chercheurs. La tension de claquage est la quantité d’électricité nécessaire pour transformer un matériau (ici l’oxyde de gallium) en conducteur. Plus la tension de claquage est élevée, plus l’appareil peut gérer de l’énergie.

Une technologie destinée aux gros appareils électriques

En raison de la taille relativement grande du transistor, il n’est pas idéal pour les smartphones et autres petits gadgets, explique Singisetti. Mais il pourrait être utile pour réguler le flux d’énergie dans de grandes unités, telles que les centrales électriques qui captent l’énergie solaire et éolienne, ainsi que les véhicules électriques, les trains et les avions.

« Nous avons autrefois renforcé les capacités de traitement de l’énergie des transistors en ajoutant plus de silicium. Malheureusement, cela ajoute du poids, ce qui diminue l’efficacité de ces dispositifs », explique M. Singisetti. « L’oxyde de gallium peut nous permettre d’atteindre, et éventuellement de dépasser les dispositifs à base de silicium, tout en utilisant moins de matériaux. Cela pourrait permettre de concevoir des véhicules électriques plus légers et plus économes en carburant. »

Un défi doit être relevé pour que cela devienne une réalité

Cependant pour que cela se produise, quelques défis doivent être relevés, explique-t-il. En particulier, les systèmes à base d’oxyde de gallium doivent être conçus de manière à surmonter la faible conductivité thermique de ces matériaux.

Source : University at Buffalo