Design af diamantkredsløb til ekstreme miljøer

Der er en ny måde at designe computerchips og elektroniske kredsløb til ekstreme miljøer:lav dem af diamant.

Et hold af elektriske ingeniører ved Vanderbilt University har udviklet alle de grundlæggende komponenter, der er nødvendige for at skabe mikroelektroniske enheder ud af tynde film af nanodiamant. De har skabt diamantversioner af transistorer og, seneste, logiske porte, som er et nøgleelement i computere.

"Diamantbaserede enheder har potentialet til at fungere ved højere hastigheder og kræver mindre strøm end siliciumbaserede enheder, "Forskerprofessor i elektroteknik Jimmy Davidson sagde. "Diamant er det mest inerte materiale, man kender, så vores enheder er stort set immune over for strålingsskader og kan fungere ved meget højere temperaturer end dem, der er lavet af silicium."

Deres design af en logisk port er beskrevet i tidsskriftets 4. august-udgave Elektronik breve . Medforfattere til papiret er kandidatstuderende Nikkon Ghosh, Professor i elektroteknik Weng Poo Kang.

Ikke en forlovelsesring

Davidson var hurtig til at påpege, at selvom deres design bruger diamantfilm, det er ikke ublu dyrt. Enhederne er så små, at omkring en milliard af dem kan fremstilles af en karat diamant. Filmene er fremstillet af brint og metan ved hjælp af en metode kaldet kemisk dampaflejring, der er meget brugt i mikroelektronikindustrien til andre formål. Denne deponerede form for diamant er mindre end en tusindedel af prisen på "smykker" diamant, hvilket har gjort det billigt nok, så virksomheder lægger diamantbelægninger på værktøjer, køkkengrej og andre industriprodukter. Som resultat, omkostningerne ved at producere nanodiamant-enheder bør være konkurrencedygtige med silicium.

Potentielle anvendelser omfatter militær elektronik, kredsløb, der fungerer i rummet, ultrahøjhastighedsafbrydere, applikationer og sensorer med ultralav effekt, der fungerer i miljøer med høj stråling, ved ekstremt høje temperaturer op til 900 grader Fahrenheit og ekstremt lave temperaturer ned til minus 300 grader Fahrenheit.

Hybrid af gammelt og nyt

Nanodiamond-kredsløbene er en hybrid af gammeldags vakuumrør og moderne solid-state mikroelektronik og kombinerer nogle af de bedste kvaliteter fra begge teknologier.
Nanodiamond-enheder består af en tynd film af nanodiamant, der er lagt ned på et lag af siliciumdioxid. Meget som de gør i vakuumrør, elektronerne bevæger sig gennem vakuum mellem nanodiamantkomponenterne, i stedet for at flyde gennem fast materiale, som de gør i normale mikroelektroniske enheder. Som resultat, de kræver vakuumpakning for at fungere.

"Grunden til, at din bærbare computer bliver varm, er fordi elektronerne, der pumper gennem dens transistorer, støder ind i atomerne i halvlederen og varmer dem op, " sagde Davidson. "Fordi vores enheder bruger elektrontransport i vakuum, producerer de ikke nær så meget varme."

Denne transmissionseffektivitet er også en af ​​grundene til, at de nye enheder kan køre på meget små mængder elektrisk strøm. En anden er, at diamant er den bedste elektronudsender i verden, så det kræver ikke meget energi at producere stærke elektronstråler. "Vi tror, ​​vi kan lave enheder, der bruger en tiendedel af kraften fra de mest effektive siliciumenheder, sagde Davidson.

Designet er også stort set immunt over for strålingsskader. Stråling forstyrrer driften af ​​transistorer ved at inducere uønsket ladning i silicium, forårsager en effekt som at udløse afbryderen i dit hjem. I nanodiamond-enheden, på den anden side, elektronerne strømmer gennem vakuum, så der er intet for energiske partikler at forstyrre. Hvis partiklerne rammer nanodiamantanoden eller katoden, påvirkningen er begrænset til en lille udsving i elektronstrømmen, ikke fuldstændig forstyrrelse, som det er tilfældet med silicium enheder.

"Da jeg læste om problemerne på Fukushima kraftværket efter den japanske tsunami, Jeg indså, at nanodiamantkredsløb ville være perfekte til fejlsikkert kredsløb i atomreaktorer, " sagde Davidson. "Det ville ikke blive påvirket af høje strålingsniveauer eller de høje temperaturer skabt af eksplosionerne."

Nanodiamond-enheder kan fremstilles ved processer, som halvlederindustrien i øjeblikket bruger. Den eneste undtagelse er kravet om at operere i vakuum, hvilket ville kræve nogle ændringer i emballeringsprocessen. I øjeblikket, halvlederchips er forseglet i pakker fyldt med en inert gas som argon eller blot indkapslet i plastik, beskytte dem mod kemisk nedbrydning. Davidson og hans kolleger har undersøgt emballageprocessen og har fundet ud af, at de metalliske tætninger, der bruges i kredsløb af militærkvalitet, er stærke nok til at holde et tilstrækkeligt vakuum i århundreder.