Cercetătorii din Japonia au creat primul tranzistor pe bază de diamant „n-channel”, apropiindu-ne mai mult de procesoarele care pot funcționa la temperaturi foarte ridicate. Acest lucru elimină nevoia de răcire directă și mărește gama de medii în care pot funcționa procesoarele.
Prin utilizarea diamantului într-un tranzistor — întrerupătoare electrice care se rotesc între 1 și 0 atunci când se aplică tensiune — cercetarea deschide perspectiva unor electronice mai mici, mai rapide și mai eficiente din punct de vedere energetic.
Ele pot funcționa, de asemenea, în medii mult mai dure decât componentele convenționale – funcționând la temperaturi de peste 572 grade Fahrenheit (300 grade Celsius), mai degrabă decât limita tipică a tranzistorului de 212 grade Fahrenheit (100 grade Celsius) – și pot suporta tensiuni mult mai mari înainte de a se defecta.
Oamenii de știință și-au detaliat descoperirile într-o lucrare publicată pe 19 ianuarie în jurnal Știință Avansată.
Tranzistoarele de siliciu au fost folosite pentru a face procesoare încă de la începutul anilor 1960, dar își atinge limitările fizice pe măsură ce dimensiunea procesului de fabricație (de până la 3 nanometri) se apropie de lățimea de 0,2 nanometri a atomilor de siliciu.
Există mai multe tipuri diferite de tranzistoare, dar cel mai frecvent utilizat este tranzistorul cu efect de câmp cu oxid de metal și semiconductor (MOSFET), cu „semiconductor de oxid de metal” referindu-se la placa de siliciu a unui cip de computer convențional.
În cadrul MOSFET-urilor, există și diferite configurații – denumite n-canal și p-canal. Tranzistoarele cu canal N folosesc electroni pentru a transporta sarcina, în timp ce tranzistoarele cu canal p folosesc „găuri” – adică, în termeni foarte simplificați, golurile lăsate în urmă de electronii scăpați. Tranzistoarele cu canal N se găsesc în mod obișnuit în întrerupătoarele de putere de înaltă parte pentru a proteja bateriile.
În noul studiu, cercetătorii au construit un tranzistor cu două „epilatoare de diamant dopate cu fosfor”. Dopajul cu fosfor, care înseamnă pur și simplu adăugarea elementului la straturi, este necesar pentru a adăuga conductivitate. Acesta este stratul cu canale n, care transportă electroni liberi și ar înlocui stratul pe bază de siliciu într-un cip convențional. Când suficienți electroni curg, ei conectează două capete ale unei porți – cunoscute sub denumirea de „sursă” și „scurgere”. Acest lucru închide circuitul pentru a reprezenta un 1 mai degrabă decât un 0.
Echipa a dopat ușor stratul negativ cu fosfor și a dopat puternic al doilea strat pozitiv. Oamenii de știință au format apoi contacte de „sursă” și „scurgere” de titan recoaptă pe stratul superior, puternic dopat, înainte de a adăuga trioxid de aluminiu cu o grosime de 30 de nanometri pentru a servi drept izolator. Rezultatul a fost primul tranzistor MOSFET cu canale n funcțional din lume, realizat folosind diamant.
Cercetătorii au trecut apoi tranzistorul printr-o serie de teste pentru a verifica performanța conductibilității. „MOSFET-urile de diamant de tip n prezintă o mobilitate mare cu efect de câmp în jurul valorii de 150 cm2/V/sec la 573K”, au spus ei în lucrarea lor, referindu-se la conductivitate și stabilitate ridicate la temperaturi extrem de ridicate. Acesta a fost „cel mai mare dintre toate MOSFET-urile cu canale n bazate pe semiconductori cu bandă largă”, au remarcat ei.
O bandgap, măsurată în electronvolți (o unitate de energie cinetică) este o zonă din canalul n în care electronii de valență (cei din învelișul cel mai exterior al atomului) se pot mișca liber. O bandgap mai mare înseamnă că o componentă poate funcționa la tensiuni și frecvențe mai mari. Diamond are o bandgap de 5,47 eV comparativ cu 1,12eV pentru siliciu.
Aceasta nu este prima descoperire a tranzistorului cu diamant. O altă echipă a publicat un studiu în ianuarie 2022 în jurnal Natură care detaliază modul de creare a tranzistoarelor cu bandă interzisă cu canal p pe bază de diamant. Până acum, oamenii de știință nu au reușit să demonstreze un tranzistor pe bază de diamant cu canale n care funcționează.
Când vine vorba de aplicații viitoare pentru tranzistorul lor, oamenii de știință au sugerat că ar putea funcționa în electronice eficiente din punct de vedere energetic, precum și în dispozitive și senzori spintronici fabricați din sisteme micro-electromecanice (MEMS) care pot funcționa în medii dure, cum ar fi spațiul.
Există și alte utilizări pentru semiconductori de diamant, inclusiv în supercomputere, vehicule electrice (EV), precum și în electronice de larg consum mai ușoare și mai durabile.