Co to znamená? Nejde jen o zajímavost pro nadšence do polovodičů. Jde o zásadní krok směrem k tomu, aby integrované obvody typu CMOS (tedy ty, které tvoří základ moderní elektroniky) mohly být založeny na diamantu – a tím pádem fungovat i v extrémních podmínkách, kde běžná elektronika selhává.

Diamant jako polovodič? Ano – a s výjimečnými vlastnostmi

Na první pohled to zní jako sci-fi. Diamant – materiál, který si většina z nás spojuje spíš se šperky než s tranzistory – má ale mimořádné fyzikální vlastnosti, které z něj činí velmi atraktivního kandidáta pro pokročilou elektroniku:

• Široký energetický pásový gap (5,5 eV) – díky tomu zvládá vyšší napětí a je méně náchylný k poruchám způsobeným vysokými teplotami nebo zářením.
• Vysoká pohyblivost nosičů náboje – umožňuje rychlejší přenos elektrického signálu.
• Vynikající tepelná vodivost – odvádí teplo mnohem lépe než křemík nebo jiné běžné materiály.

Díky těmto vlastnostem se diamant jeví jako ideální materiál pro vysoce výkonné, spolehlivé a odolné součástky, například pro prostředí s vysokou teplotou nebo intenzivním ionizujícím zářením – například v blízkosti jaderných reaktorů.

Zdroj: Shutterstock

Proč je n-kanálový MOSFET tak důležitý?

Aby bylo možné vytvořit plně funkční CMOS obvody, tedy kombinaci p-kanálových a n-kanálových tranzistorů, potřebujete obě složky. Zatímco p-kanálové diamantové MOSFETy už byly dříve vyvinuty, jejich n-kanálový protějšek zůstával dlouho mimo dosah.

To se nyní mění. Vědci z NIMS vyvinuli novou metodu, jak růst vysoce kvalitní n-typový monokrystalický diamant s extrémně hladkým povrchem – a to pomocí velmi nízké koncentrace fosforu jako dopantu. Právě tento pokrok umožnil poprvé v historii vytvořit n-kanálový MOSFET na bázi diamantu.

Jak funguje nový diamantový tranzistor?

Tranzistor je postaven na vrstvě n-typového diamantu, která je položena na další vrstvě diamantu s vyšší koncentrací fosforu. Tato spodní vrstva významně snižuje odpor v oblasti zdroje a odvodu, což je zásadní pro dosažení praktického výkonu. Vědci také experimentálně potvrdili, že součástka funguje jako plnohodnotný n-kanálový tranzistor.

A nejen to – při testování bylo zjištěno, že i při teplotě 300 °C si tranzistor zachovává vysokou pohyblivost pole (field-effect mobility), přibližně 150 cm²/V·s, což je pro polovodičové prvky skvělý výsledek.

Co to znamená pro budoucnost?

Tento objev je klíčový nejen pro oblast výkonové elektroniky, ale také pro další technologie, které operují v extrémních podmínkách – například:

• Spintronika – nová generace zařízení využívající spin elektronu místo jeho náboje.
• Mikroelektromechanické systémy (MEMS) – senzory a pohony schopné pracovat v náročných prostředích.
• Řízení v jaderném, kosmickém a vojenském sektoru, kde selhání běžné elektroniky může mít katastrofální následky.

Navíc diamantová elektronika může snížit nároky na chlazení, čímž odpadá potřeba komplikovaných tepelných managementů, které dnes tvoří nezanedbatelnou část složitosti (a ceny) pokročilých systémů.