Existe una nueva forma de diseñar chips de computadora y circuitos electrónicos para entornos extremos:hágalos de diamante.

Un equipo de ingenieros eléctricos de la Universidad de Vanderbilt ha desarrollado todos los componentes básicos necesarios para crear dispositivos microelectrónicos a partir de películas delgadas de nanodiamantes. Han creado versiones de transistores de diamante y, más reciente, puertas lógicas, que son un elemento clave en las computadoras.

"Los dispositivos basados ​​en diamantes tienen el potencial de funcionar a velocidades más altas y requieren menos energía que los dispositivos basados ​​en silicio, "El profesor de investigación de ingeniería eléctrica Jimmy Davidson dijo." El diamante es el material más inerte conocido, por lo que nuestros dispositivos son en gran medida inmunes al daño por radiación y pueden funcionar a temperaturas mucho más altas que los fabricados con silicio ".

Su diseño de una puerta lógica se describe en la edición del 4 de agosto de la revista. Letras de electrónica . Los coautores del artículo son el estudiante graduado Nikkon Ghosh, Profesor de Ingeniería Eléctrica Weng Poo Kang.

No es un anillo de compromiso

Davidson se apresuró a señalar que, aunque su diseño utiliza película de diamante, no es exorbitantemente caro. Los dispositivos son tan pequeños que alrededor de mil millones de ellos pueden fabricarse con un quilate de diamante. Las películas están hechas de hidrógeno y metano mediante un método llamado deposición química de vapor que se usa ampliamente en la industria de la microelectrónica para otros fines. Esta forma de diamante depositado es menos de una milésima parte del costo del diamante de "joyería", lo que lo ha hecho lo suficientemente económico como para que las empresas estén colocando recubrimientos de diamante en las herramientas, utensilios de cocina y otros productos industriales. Como resultado, el costo de producción de dispositivos de nanodiamantes debería ser competitivo con el silicio.

Las aplicaciones potenciales incluyen electrónica militar, circuitos que operan en el espacio, interruptores de ultra alta velocidad, Aplicaciones y sensores de energía ultrabaja que operan en entornos de alta radiación, a temperaturas extremadamente altas de hasta 900 grados Fahrenheit y temperaturas extremadamente bajas hasta menos 300 grados Fahrenheit.

Híbrido de lo viejo y lo nuevo

Los circuitos de nanodiamantes son un híbrido de tubos de vacío anticuados y microelectrónica de estado sólido moderna y combinan algunas de las mejores cualidades de ambas tecnologías.
Los dispositivos de nanodiamantes consisten en una película delgada de nanodiamantes que se coloca sobre una capa de dióxido de silicio. Al igual que lo hacen en los tubos de vacío, los electrones se mueven a través del vacío entre los componentes del nanodiamante, en lugar de fluir a través de material sólido como lo hacen en los dispositivos microelectrónicos normales. Como resultado, requieren envasado al vacío para funcionar.

"La razón por la que su computadora portátil se calienta es porque los electrones que bombean a través de sus transistores chocan con los átomos en el semiconductor y los calientan, ", Dijo Davidson." Debido a que nuestros dispositivos utilizan el transporte de electrones en el vacío, no producen tanto calor ".

Esta eficiencia de transmisión es también una de las razones por las que los nuevos dispositivos pueden funcionar con cantidades muy pequeñas de corriente eléctrica. Otro es que el diamante es el mejor emisor de electrones del mundo, por lo que no se necesita mucha energía para producir fuertes haces de electrones. "Creemos que podemos fabricar dispositivos que utilicen una décima parte de la potencia de los dispositivos de silicio más eficientes, "dijo Davidson.

El diseño también es en gran parte inmune al daño por radiación. La radiación interrumpe el funcionamiento de los transistores al inducir una carga no deseada en el silicio, causando un efecto como disparar el disyuntor en su hogar. En el dispositivo de nanodiamantes, por otra parte, los electrones fluyen a través del vacío, por lo que no hay nada que las partículas energéticas puedan interrumpir. Si las partículas chocan contra el ánodo o cátodo de nanodiamantes, el impacto se limita a una pequeña fluctuación en el flujo de electrones, no es una interrupción completa, como es el caso de los dispositivos de silicio.

"Cuando leí sobre los problemas en la central eléctrica de Fukushima después del tsunami japonés, Me di cuenta de que los circuitos de nanodiamantes serían perfectos para circuitos a prueba de fallas en reactores nucleares, "Dijo Davidson." No se vería afectado por los altos niveles de radiación o las altas temperaturas creadas por las explosiones ".

Los dispositivos de nanodiamantes pueden fabricarse mediante procesos que utiliza actualmente la industria de los semiconductores. La única excepción es el requisito de operar en vacío, lo que requeriría alguna modificación en el proceso de envasado. En la actualidad, Los chips semiconductores se sellan en paquetes llenos de un gas inerte como el argón o simplemente se encapsulan en plástico. protegiéndolos de la degradación química. Davidson y sus colegas han investigado el proceso de envasado y han descubierto que los sellos metálicos utilizados en los circuitos de grado militar son lo suficientemente fuertes como para mantener un vacío adecuado durante siglos.