Novo semicondutor leva transistores aos 4.000 volts

Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/09/2026 Alta tensão com baixo consumo Se, de um lado, a miniaturização tem exigido transistores cada vez menores e com menor consumo de energia, os consumidores estão exigindo que os carregadores dos seus celulares e veículos elétricos enfiem o máximo de energia nas baterias no menor tempo possível. E esta última exigência tem reforçado a busca e exploração de outros semicondutores, com capacidades mais avançadas do que as do silício. A atual estrela nessa busca é o nitreto de gálio (GaN). Acontece que, em tensões muito altas, os campos elétricos dentro dos transistores de GaN começam a se concentrar em pontos específicos, causando falhas prematuras. Como resultado, tem sido difícil atingir níveis de tensão tão altos quanto os exigidos. Para superar essa limitação, Luca Mazzone e colegas da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, idealizaram uma nova classe de transistor de GaN, que eles batizaram de superjunção de polarização intrínseca, ou iPSJ. O componente, feito de camadas de nitreto de gálio sobre uma base de silício de baixo custo, conseguiu suportar quase 4.000 volts (4 kV) antes de entrar em ruptura, um recorde para esse tipo de tecnologia. Ao mesmo tempo, o transístor mantém baixa resistência, ajudando a reduzir as perdas de energia que, de outra forma, seriam liberadas na forma de calor. "Nosso componente pode suportar alta tensão em uma ampla faixa de temperatura, tornando-o adequado para veículos elétricos ou sistemas de energia industrial, onde os componentes eletrônicos devem operar de forma confiável sob altas temperaturas e estresse elétrico," disse Mazzone. Entenda o problema e a solução Graças à estrutura cristalina do nitreto de gálio, forças elétricas internas agrupam elétrons em finas camadas, que conduzem a corrente. No entanto, nos transistores de GaN convencionais essas camadas de elétrons também representam um ponto fraco: Quando o componente é desligado, os elétrons são expelidos do caminho da corrente, deixando para trás uma carga positiva sem uma carga negativa correspondente. Esse desequilíbrio concentra a tensão em um único ponto, produzindo um campo elétrico intenso que pode causar a ruptura dielétrica. Para evitar esse desequilíbrio de cargas, a equipe projetou o transístor de forma que uma segunda camada de carga positiva se forme naturalmente ao lado da camada de elétrons, criando cargas positivas e negativas equivalentes. Ajustando cuidadosamente a espessura do material, a equipe garantiu que as duas camadas de carga se equilibrem em todo o componente. Como resultado, o excesso de carga não se acumula, permitindo que a tensão se distribua uniformemente ao longo do transístor - assim como deitar-se distribui o peso sobre o gelo fino e evita que ele se quebre. Esse projeto balanceado inovador permite que o transístor suporte mais de cinco vezes a tensão dos dispositivos de potência GaN comerciais, que entram em colapso em torno de 600 a 650 V.