Semicondutor Supremo: Diamante Industrial

Sep 12, 2023

O diamante industrial é considerado o semicondutor supremo para reduzir as perdas durante a transmissão de energia em longas distâncias. Enquanto o silício é hoje a estrela dos semicondutores, o diamante pode substituí-lo nas décadas seguintes. Com capacidades eletrônicas e térmicas superiores, esta substituição oferece muitas possibilidades em transmissão de energia, biônica ou aeronáutica, se seu custo cair.

Uma das grandes dificuldades das tecnologias de transição energética é o seu alto custo, principalmente devido ao uso de materiais e metais raros. Nesse contexto, o uso de diamantes, um material excessivamente caro, pode ser considerado proibitivo. No entanto, esta é a opinião de Étienne Gheeraert, coordenador do projeto europeu GreenDiamond.

Objetivo do projeto: substituição de semicondutores à base de silício de um conversor, por um diamante, para reduzir as perdas de energia na transmissão de energia de parques eólicos offshore.

"A ideia do projeto europeu GreenDiamond é reduzir ao máximo as perdas de energia", diz Étienne Gheeraert. Para aplicações de eletrônica de potência, um dos fatores mais importantes é o campo de decomposição do material. No caso do silício, equivale a 300.000 V/cm, o que é bastante baixo. No entanto, no caso do diamante, o campo de ruptura é de 10 MV/cm.

Para suportar uma tensão de 1.000 V, um conversor exigiria uma camada de 100 mícrons, o que leva a uma resistência significativa, em comparação com 1 mícron para o diamante. Com essa mudança, estima-se que as perdas de energia possam ser reduzidas em quatro vezes.

eletromobilidade

Com potência equivalente, mas com tamanho reduzido, o diamante abre novos caminhos para aplicações em biônica e transporte. Sendo o peso do material o inimigo número 1 no design de veículos, essa substituição se torna muito interessante.

Se a redução de peso está envolvida em volumes menores de materiais, a resistência a altas temperaturas também é um argumento importante nessas aplicações. Além de 150°C, as propriedades do silício mudam e não são mais ideais. O diamante pode facilmente subir até 300°C. Como resultado, onde um conversor de silício requer um sistema de resfriamento complexo, o diamante oferece soluções mais simples e fáceis. “No caso da eletrificação de aeronaves, podemos imaginar a transição de um conversor de 400 kg para 50 kg, o que seria um ganho enorme”, explica Étienne Gheeraert.

Em geral, os semicondutores são materiais, inorgânicos ou orgânicos, que possuem a capacidade de controlar sua funcionalidade em relação à estrutura química, temperatura, iluminação e presença de dopantes. O nome de semicondutor vem do fato de que esses materiais têm uma condutividade elétrica entre a de um metal, como cobre, ouro etc. e um isolante, como o vidro. Eles têm uma lacuna de energia inferior a 4eV (aproximadamente 1eV). Na física do estado sólido, existe uma lacuna de energia entre a banda de valência e a banda de condução na qual os estados eletrônicos são proibidos. Ao contrário dos condutores, os elétrons em um semicondutor devem obter energia (por exemplo, da radiação ionizante) para atravessar a banda proibida e alcançar a banda de condução. As propriedades dos semicondutores são determinadas pelo intervalo de energia entre as bandas de valência e as bandas de condução.

O diamante é uma forma sólida do elemento carbono com seus átomos dispostos em uma estrutura cristalina chamada diamante cúbico. Os diamantes também são isolantes elétricos muito bons, o que estranhamente é útil e problemático para dispositivos elétricos. O diamante é um semicondutor de gap de banda larga (Egap = 5,47 eV) com alto potencial como material em muitos dispositivos, incluindo eletrônicos. Os detectores de diamante são muito semelhantes aos detectores de silício, mas oferecem vantagens significativas, especialmente alta dureza de radiação e correntes de deriva muito baixas.

Características essenciais do diamante como um material semicondutor avançado

Aplicações de conversores de diamante

Se a eficiência de um bom conversor de silício está em torno de 97%, é possível chegar a 99% com um conversor de diamante. Essa diferença pode parecer pequena. No entanto, os benefícios são grandes para certas aplicações específicas, como transmissão de energia HVDC (corrente contínua de alta tensão) de longa distância, como é o caso de parques eólicos offshore. Para trazer 1 GW de potência ao continente, economizam-se 20 MW!