Eletrônica

Semicondutor de diamante mais próximo da realidade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/09/2003

Diamante semicondutor

A empresa japonesa Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) anunciou o desenvolvimento de um semicondutor de diamante que opera a 81 GHz, quase três vezes mais do que os dispositivos desse material até agora disponíveis. Esses semicondutores poderão vir a substituir a válvulas de potência hoje utilizadas em equipamentos de transmissão de altíssima potência, como emissoras de TV e radares, por serem muito mais eficientes do que os semicondutores de silício.

A descoberta foi feita em colaboração com a Universidade de Ulm (Alemanha), utilizando cristais de diamante de alta pureza. A maior freqüência de operação do semicondutor foi de 81 GHz. Isso o torna adequado para operar como um amplificador para comprimentos de ondas na faixa dos milímetros, que alcança de 30 a 300 GHz. Graças às propriedades do diamante, o novo semicondutor dissipa calor muito rapidamente, opera em voltagens mais elevadas e deverá operar de forma estável mesmo no espaço.

Filmes de diamante

O maior problema na fabricação de dispositivos de diamante semicondutor tem sido o grande número de defeitos e impurezas encontrados nos filmes de diamante. Esse problema não ocorre com o silício e outros materiais semicondutores. No ano passado, a NTT havia anunciado a descoberta de um método de fabricação de filmes de diamante sem esses problemas. O desenvolvimento agora divulgado é um desdobramento natural daquela descoberta.

O filme de diamante empregado possui apenas 1/20 das impurezas dos filmes similares. Ele é fabricado utilizando um gás de altíssima pureza em baixa temperatura, entre 650 e 750º C.

Vantagens do diamante semicondutor

A principal vantagem de um semicondutor de diamante está na potência que se consegue atingir com ele. Por exemplo, um telefone celular necessita de cerca de 1 Watt de energia para operar a 1,5 GHz. Mas equipamentos de comunicação, como satélites e torres de transmissão de TVs exigem 1 kW (1.000 vezes mais) para operar a 10 GHz. Na faixa de 10 GHz, até hoje utilizam-se válvulas. Estas válvulas têm baixa eficiência energética, apresentando grandes perdas. Mas até hoje os semicondutores não foram capazes de substituí-las nessas aplicações de alta potência. Esta é uma das principais promessas dos semicondutores de diamante.

Os cálculos teóricos mostram que dispositivos semicondutores de diamante poderão operar em temperaturas cinco vezes maiores do que os semicondutores tradicionais, como o silício ou o gálio. Além disso, ele deverá alcançar 30 vezes a voltagem e três vezes a freqüência dos dispositivos de silício.

Filmes de diamante mais puros

Há três dificuldades principais na fabricação de filmes de diamante, dificuldades estas que têm impedido que a indústria consiga produzir semicondutores de diamante de qualidade: partículas de grafite, defeitos na cristalinidade e impurezas.

Componentes de grafite incrustados no filme de diamante baixam a velocidade de carga e, conseqüentemente, a velocidade de operação do semicondutor. A velocidade de carga depende das lacunas, "buracos" na estrutura atômica de um material que permitem que os elétrons se movimentem. Geralmente, um cristal com alta qualidade cristalina tem uma grande velocidade de carga e isto resulta em grandes velocidades de operação do dispositivo construído com ele. O diamante ideal possui a mais alta velocidade de carga dentre todos os semicondutores.

O grafite, assim como o diamante, é formado por átomos de carbono, diferindo apenas na sua estrutura cristalina. Enquanto no diamante os átomos de carbono possuem quatro ligações, no grafite eles apresentam apenas três ligações. Os defeitos de cristalinidade consistem em átomos de carbono desordenados ao redor de outros perfeitamente ordenados.

Impurezas, por sua vez, consistem na presença de de outros átomos, que não o carbono, no interior da estrutura do diamante.

Eliminação de impurezas

Tantos defeitos na estrutura cristalina quanto a presença de impurezas afetam o rendimento do semicondutor, por permitirem a perda de corrente, diminuindo a potência final do dispositivo.

A tecnologia de produção de filmes de diamante, desenvolvida em 2002 pela NTT, foi capaz tanto de eliminar a presença de componentes de grafite no material produzido quanto eliminar os defeitos na cristalinidade. Além disso, as impurezas foram reduzidas em 20 vezes. Esta tecnologia abriu o caminho para dispositivos semicondutores de diamante com propriedades próximas às ideais.