Semiconduttore a pellicola di diamante
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Il semiconduttore a pellicola di diamante è un semiconduttore realizzato sfruttando alcune delle caratteristiche salienti del diamante.
Il diamante è la sostanza naturale più dura e meno comprimibile che si conosca attualmente. A temperatura ambiente conduce molto bene il calore, in particolare alcuni diamanti artificiali purificati presentano una conduttività termica migliore di qualsiasi altro materiale solido conosciuto (2000–2500 W/(m·K), cinque volte meglio del rame), se privo di impurità e difetti, è anche uno dei più trasparenti. Queste qualità sono da attribuire al suo particolare stato di legame: gli atomi di un cristallo di diamante sono disposti a forma di tetraedro donando un'eccezionale rigidità al materiale. Inoltre, le forze che tengono uniti gli atomi sono più intense che nella maggior parte degli altri solidi.
Tutte queste straordinarie proprietà rendono il diamante utile dal punto di vista tecnologico. Esso ha trovato applicazioni come abrasivo, come strumento chirurgico e come dissipatore di calore per il raffreddamento di componenti elettronici.
È noto che i diamanti blu che solitamente contengono il boro come impurità si comportano da semiconduttori, anche se i cristalli naturali sono troppo piccoli e costosi per essere impiegati a questo scopo. Tuttavia la situazione sta cambiando. Negli ultimi cinque anni è stata sviluppata un'ampia gamma di tecniche per depositare pellicole di diamante di spessore variabile da poche centinaia di atomi fino a più di un millimetro. Queste tecniche, alcune delle quali producono cristalli larghi e piatti, potrebbero rendere di uso pratico i semiconduttori a diamante. I dispositivi risultanti sarebbero in grado di funzionare a velocità molte volte maggiori delle loro controparti di silicio ed a temperatura anche di 700 gradi celsius, che distruggerebbero qualsiasi altro dispositivo elettronico.
Le proprietà elettriche del diamante lo rendono particolarmente adatto per transistori a tensione elevata. Il diamante subisce il fenomeno della conduzione dielettrica (o scarica distruttiva) in presenza di campi elettrici da 20 a 50 volte più intensi di quelli che inducono conduzioni incontrollate nel silicio o nell'arseniuro di gallio. Ciò significa che la tensione operativa massima dei transistori a diamante sarà proporzionalmente più elevata di quella dei transistori simili fatti di altri materiali. Inoltre un transistore a diamante a potenza e tensione elevata sarà più piccolo delle sue controparti al silicio o all'arseniuro di gallio aventi analoghe prestazioni.
Le minori dimensioni del dispositivo a diamante implicano che i portatori di carica devono percorrere una distanza più piccola e sono simultaneamente soggetti a un campo elettrico più intenso; di conseguenza la sua velocità di funzionamento potrebbe essere da 40 a 100 volte più alta di quella di un dispositivo attuale.
La banda proibita del diamante, di ampiezza pari a 5,5 elettronvolt, ne fa un materiale ideale per dispositivi che devono funzionare a temperature elevate. I diodi a barriera "di Schottky" fatti di diamante, che sono costituiti semplicemente da una giunzione fra metalli e diamante, possono, per esempio, essere operativi al di sopra di 700 gradi celsius. Un dispositivo di questo tipo potrebbe essere impiegato in un regolatore digitale di un motore o in un sistema simile che deve funzionare in un ambiente ad alta temperatura.
Gli stessi dispositivi realizzati con silicio, la cui banda proibita è di soli 1,1 elettronvolt, non funzionano in modo efficiente al di sopra di 150 gradi celsius. Il diamante è anche un semiconduttore relativamente insolito per la sua capacità di formare interfacce di elevata qualità con il biossido di silicio. Nel caso dei dispositivi di silicio, queste interfacce sono l'elemento chiave dei transistori metallo-ossido-semiconduttore ad effetto di campo (MOSFET), il tipo più comune di transistore usato nei calcolatori, nei moderni ricetrasmettitori ed in altre applicazioni digitali.
La capacità del diamante di formare connessioni di alta qualità con altri materiali si estende anche ai metalli. La resistenza elettrica di un contatto fra diamante e metallo diminuisce all'aumentare del livello di drogante nel diamante. Sebbene circuiti a stato solido di diamante siano senza dubbio fattibili, le maggiori potenzialità di questo materiale potrebbero riguardare dispositivi che assomigliano più ai tubi a vuoto che al transistore.
Oltre alle sue utili proprietà elettriche, il diamante ha un'intrinseca affinità elettronica negativa. Gli elettroni di conduzione possono facilmente sfuggire nel vuoto dalla superficie di un diamante, purché vengano sostituiti da elettroni provenienti da un'altra sorgente. Per ottenere le medesime caratteristiche con i metalli, si pensi che sono necessarie temperature dell'ordine di 1.000-3.000 gradi celsius o campi elettrici superiori a 10 milioni di volt per centimetro quadrato. Una volta liberati dalla superficie del diamante, questi elettroni possono essere accelerati da un campo elettrico, concentrati in un fascio per colpire un bersaglio, ad esempio un luminoforo, la cui emissione luminosa è proporzionale alla corrente elettrica che lo raggiunge; o modulati da un segnale esterno. I cosiddetti catodi freddi a diamante potrebbero essere impiegati in piccole lampade a luminescenza, in calcolatori a pannello piatto e schermi televisivi, e forse anche in triodi submicrometrici che fornirebbero prestazioni di gran lunga migliori dei semiconduttori convenzionali.
