“Quando parliamo di tecnologie emergenti nel campo dell’elettronica, un ruolo fondamentale è svolto dall’evoluzione del transistor. I transistor costituiscono i mattoni elementari dei circuiti elettronici e, in molte applicazioni, possono essere utilizzati come interruttori: quando sono accesi permettono il passaggio della corrente, quando sono spenti la bloccano. Controllandoli in modo opportuno è possibile realizzare funzioni sempre più complesse fino ad arrivare ai sistemi elettronici che utilizziamo ogni giorno”.
A raccontare dell’impatto dell’evoluzione dei transistor sulle tecnologie che utilizziamo quotidianamente è il Prof. Andrea Natale Tallarico, professore associato di Ingegneria Elettronica all’Università di Bologna.
“Si tratta di componenti estremamente piccoli: a seconda della tecnologia e dell’applicazione, le loro dimensioni possono andare dalla scala dei micrometri fino a quella dei nanometri. Durante la mia esperienza presso IMEC, uno dei principali centri di ricerca europei, mi sono occupato dello studio di alcuni meccanismi di degrado che limitano l’affidabilità dei transistor. Migliorare un transistor significa infatti migliorare il circuito di cui fa parte e, di conseguenza, l’applicazione finale. Un aspetto fondamentale riguarda l’efficienza energetica. Durante il funzionamento, una parte dell’energia elettrica viene utilizzata per svolgere la funzione richiesta, mentre un’altra parte viene dissipata sotto forma di calore. Rendere più efficienti questi componenti significa ridurre le perdite e utilizzare meglio l’energia disponibile. Nel caso di un’auto elettrica, ad esempio, ciò può contribuire ad aumentare l’autonomia a parità di energia immagazzinata nella batteria. La mia attività di ricerca si concentra sull’elettronica di potenza, ovvero quel settore dell’elettronica che si occupa della conversione e del controllo della potenza elettrica. Le applicazioni sono molto diverse tra loro: il caricabatterie di uno smartphone, che opera tipicamente nell’ordine delle decine di watt, contiene al suo interno circuiti di elettronica di potenza; allo stesso modo, l’inverter di un’automobile elettrica può arrivare a gestire centinaia di kilowatt. In entrambi i casi, i principi di funzionamento sono analoghi, anche se cambiano le scale di potenza coinvolte”.
Il Prof. Tallarico ha evidenziato come l’elettronica di potenza svolga un ruolo chiave nella transizione energetica.
“La crescente necessità di ridurre le emissioni e contrastare i cambiamenti climatici sta favorendo l’elettrificazione di un numero sempre maggiore di applicazioni. Affinché questo processo sia realmente sostenibile, soprattutto quando l’energia proviene da fonti rinnovabili, è fondamentale poterla convertire e gestire nel modo più efficiente possibile. È proprio qui che l’elettronica di potenza svolge un ruolo essenziale. L’elettronica di potenza è infatti presente lungo tutta la filiera energetica, dagli impianti che producono energia elettrica da fonti rinnovabili fino ai dispositivi elettronici utilizzati dagli utenti finali. Con l’aumento delle applicazioni elettrificate cresce inevitabilmente anche la domanda di energia elettrica e diventa sempre più importante ridurre le perdite durante la sua conversione e il suo utilizzo. Per questo l’interesse industriale verso il settore è oggi molto elevato. Per decenni il silicio è stato il materiale di riferimento per la realizzazione dei transistor di potenza, grazie al basso costo, alla maturità tecnologica e alla disponibilità di processi produttivi consolidati. Oggi, però, le esigenze applicative stanno diventando sempre più stringenti. In settori come la mobilità elettrica, ad esempio, non sono importanti soltanto l’efficienza e l’affidabilità, ma anche il peso e il volume dei sistemi di conversione. Uno dei principali strumenti per ridurre le dimensioni dei convertitori è aumentare la frequenza di commutazione dei transistor. Lavorare a frequenze più elevate consente di ridurre le dimensioni di molti componenti passivi, come induttori e condensatori, aumentando così la densità di potenza del sistema. L’aumento della frequenza introduce però una sfida importante: ogni commutazione è associata a una certa dissipazione di energia e, aumentando il numero di commutazioni per unità di tempo, le perdite complessive possono diventare significative. Per poter aumentare la frequenza mantenendo elevata l’efficienza, diventa quindi fondamentale ridurre l’energia dissipata durante ogni singola commutazione. Una delle principali leve è l’utilizzo di transistor caratterizzati da minori perdite di commutazione. È in questo contesto che diventano particolarmente interessanti i semiconduttori ad ampio band gap, come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN). Le proprietà fisiche di questi materiali consentono di realizzare dispositivi in grado di sostenere elevati campi elettrici e, a parità di tensione di blocco, strutture più compatte rispetto a quelle realizzate con il silicio. A seconda della struttura del dispositivo, questo può tradursi in una minore resistenza di conduzione e in capacità e cariche parassite inferiori, che permettono di ridurre le perdite durante la conduzione e le commutazioni. SiC e GaN possono quindi consentire, rispetto alle tradizionali soluzioni in silicio, di operare a frequenze più elevate mantenendo contenute le perdite, rendendo possibile la realizzazione di convertitori più compatti e con un’elevata efficienza. Naturalmente, l’introduzione di materiali alternativi e di nuove strutture di dispositivo porta con sé anche nuove sfide. I transistor realizzati in carburo di silicio e nitruro di gallio presentano infatti caratteristiche e meccanismi fisici differenti rispetto ai tradizionali dispositivi in silicio, e questo può dare origine a fenomeni di degrado specifici che devono essere compresi e controllati. Per questo una parte importante della ricerca riguarda proprio l’affidabilità nel lungo periodo. L’efficienza, infatti, non è l’unico parametro rilevante: è altrettanto importante garantire che questi dispositivi mantengano le proprie prestazioni per molti anni, soprattutto quando vengono utilizzati in applicazioni come l’automobile elettrica, dove affidabilità e durata sono requisiti fondamentali”.
Secondo il Prof. Tallarico, le università svolgono un ruolo fondamentale nell’esplorazione di queste nuove frontiere tecnologiche. La ricerca in ambito industriale, invece, deve confrontarsi con vincoli economici molto concreti perché richiede investimenti significativi e non garantisce risultati immediati, dovendo necessariamente conciliarsi con le esigenze produttive e di mercato delle aziende.
“Le imprese devono infatti bilanciare le attività di innovazione con esigenze produttive molto concrete, legate ai costi, alla concorrenza e agli obiettivi di mercato. Proprio per questo negli ultimi anni si è rafforzata la collaborazione tra università e industria. Nella mia esperienza, molte aziende hanno compreso il valore strategico della ricerca accademica e cercano partnership che consentano loro di rimanere competitive e aggiornate sulle tecnologie emergenti. Collaboro con diverse realtà industriali nell’ambito di progetti nazionali e internazionali e seguo anche percorsi di dottorato cofinanziati dalle aziende. In questi casi l’impresa investe nella formazione di giovani ricercatori che acquisiscono competenze altamente specialistiche, spesso strettamente legate alle esigenze tecnologiche del settore industriale”.
Guardando al futuro, l’evoluzione dell’elettronica di potenza richiederà competenze sempre più trasversali, capaci di integrare discipline diverse, dall’elettronica all’intelligenza artificiale.
“L’ingegneria è spesso percepita come una disciplina complessa, ma il suo futuro sarà sempre più caratterizzato dall’integrazione di competenze diverse. Un esempio è rappresentato dall’intelligenza artificiale, che sta entrando anche nell’elettronica di potenza. Presso l’Università di Bologna, a partire dall’anno accademico 2026/2027, è prevista una laurea magistrale in Ingegneria Elettronica per l’Intelligenza Artificiale, proprio per rispondere a questa evoluzione. Tecniche di intelligenza artificiale e machine learning vengono sempre più studiate anche per monitorare lo stato di salute dei dispositivi e dei convertitori di potenza. Questo apre la strada a convertitori cosiddetti “intelligenti”, capaci di valutare le proprie condizioni operative e, in prospettiva, di adattare il proprio funzionamento per preservare prestazioni e affidabilità nel tempo. È una direzione di ricerca molto interessante, perché integra elettronica, energia e intelligenza artificiale per sviluppare sistemi sempre più efficienti, sostenibili e affidabili”.
