Chips de diamante são híbridos de válvulas e semicondutores

Baseado em artigo de David Salisbury - UVanderbilt - 10/08/2011

Imagem de um triodo feito com um filme fino de nanodiamante, "flutuando" sobre a base de dióxido de silício sobre a qual o componente foi construído.
[Imagem: Davidson Laboratory/Vanderbilt University]

Nanodiamantes

Os diamantes sempre desempenharam um fascínio também sobre os engenheiros eletrônicos e projetistas de computadores.

Nanodiamantes sintéticos já foram usados em super dissipadores, transistores ultra-rápidos e até computadores quânticos.

E, sonhando com computadores que sejam para sempre, pesquisadores acreditam ter encontrado uma forma de construir processadores e circuitos eletrônicos capazes de suportar condições extremas: construí-los inteiramente de diamante.

Uma equipe de engenheiros da Universidade de Vanderbilt, nos Estados Unidos construiu todos os componentes básicos necessários para criar circuitos microeletrônicos, usando filmes finos de nanodiamantes.

Eles criaram versões de diamante de transistores e os utilizaram para construir portas lógicas, que constituem um elemento-chave dos computadores.

"O diamante é o material mais inerte que se conhece, o que torna nossos dispositivos largamente imunes aos danos da radiação e podendo operar em temperaturas muito mais elevadas do que os feitos de silício," afirmou Jimmy Davidson, coordenador da equipe.

Componentes eletrônicos de diamante também gastam menos energia, dissipam menos calor e são muito mais velozes do que os componentes de silício.

Davidson se apressa em explicar que, mesmo sendo feitos de diamante, seus circuitos não são exorbitantemente caros. Em primeiro lugar, eles são feitos com diamantes sintéticos, crescidos em laboratório, que não são tão caros quanto as gemas brilhantes vistas em lojas de joias.

Além disso, os componentes são tão pequenos que até um bilhão deles podem ser fabricados usando um quilate de diamante - 1 quilate equivale a 0,2 grama.

Imagem de um transístor de nanodiamante feita por um microscópio de rastreamento eletrônico.
[Imagem: Davidson Lab]

Filmes de diamante

Os filmes de diamante são feitos a partir de hidrogênio e metano, usando uma técnica chamada deposição de vapor químico, que é amplamente utilizada na indústria de microeletrônica para outras finalidades.

Esta forma de diamante, que se deposita de um vapor sobre uma superfície, tem um custo equivalente a um milésimo de um diamante padrão joia - barato o suficiente para que as empresas começassem a usar revestimentos de diamante em ferramentas de corte e outros produtos industriais.

Assim, acreditam os pesquisadores, o custo de produção de circuitos eletrônicos de nanodiamante pode até ser competitivo com o silício, principalmente se essa produção alcançar grandes escalas.

Os principais usos dos chips de diamante seriam nas chamadas "aplicações de ambiente extremo", o que inclui naves espaciais, satélites artificiais, ambientes de alta radiação e ambientes com extremos de temperatura - um chip de diamante pode funcionar de -180 a +480º C.

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Outra aplicação promissora são sistemas que exijam velocidades muito elevadas ou baixíssimo consumo de energia.

Híbrido de válvula e semicondutor

Construir um circuito eletrônico de diamante não consiste simplesmente de replicar com diamante o que é feito com silício e outros materiais semicondutores.

Os circuitos de nanodiamante na verdade são uma espécie de híbrido das antigas válvulas eletrônicas - antigas, mas ainda hoje usadas em circuitos de alta potência e alta fidelidade - com os componentes semicondutores atuais, combinando algumas das melhores qualidades das duas tecnologias.

Os filmes de diamante são produzidos sobre uma base de dióxido de silício. De forma muito parecida com o que fazem dentro de uma válvula, os elétrons se movem através do vácuo entre os componentes de diamante, em vez de fluir através de um material sólido, como fazem nos circuitos semicondutores.

O pesquisador Weng Poo Kang, membro da equipe, inspeciona uma câmara de vácuo usada para testar os componentes de diamante.
[Imagem: Joe Howell/Vanderbilt University]

Ou seja, os circuitos de diamante precisam de vácuo para funcionar.

"Um notebook fica quente porque os elétrons viajando através de seus transistores trombam nos átomos no semicondutor e os aquece," explica Davidson. "Como nossos circuitos fazem o transporte dos elétrons no vácuo, eles não produzem nem uma fração desse calor."

Este é um dos motivos pelos quais esses circuitos gastam tão pouca energia.

Outro motivo é que o diamante é o melhor emissor de elétrons que se conhece, produzindo fortes feixes de elétrons com pouquíssima energia. "Nós calculamos que esses dispositivos usarão um décimo da energia dos mais eficientes circuitos de silício," complementa o pesquisador.

Processador a vácuo

Os circuitos de nanodiamante também são muito pouco afetados pela radiação. A radiação atrapalha o funcionamento dos transistores induzindo cargas indesejadas no silício - imagine um pico de tensão derrubando o disjuntor da sua casa.

Como os circuitos de diamante funcionam no vácuo, não há nada para ser atingido pelas partículas energéticas. Se elas atingirem os anodos ou catodos de nanodiamante, o impacto causará apenas uma pequena flutuação no fluxo de elétrons, e não sua interrupção total, como ocorre em um transístor de silício, por exemplo, que perde a operação que estava sendo feita.

Os circuitos de nanodiamante podem ser fabricados pelos processos usados hoje pela indústria de semicondutores, com a exceção do invólucro do chip, que deverá conter um vácuo em seu interior.

Os processadores atuais são selados no interior de invólucros preenchidos com um gás inerte, como o argônio, ou simplesmente envoltos em plástico, para protegê-los da degradação química.

Segundo Davidson, os selos metálicos usados hoje para a fabricação de chips de grau militar são fortes o suficiente para sustentar um vácuo adequado para os processadores de diamante por séculos.

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