Improvável transístor de bismuto rompe limite físico dos semicondutores
[Imagem: Zehan Wu et al. – 10.1126/science.adx6059]
Tirania de Boltzmann
Cada nova geração da microeletrônica depende de melhorias no desempenho dos transistores para aumentar a capacidade de computação. No entanto, a tecnologia de semicondutores convencional atingiu um limite físico conhecido como “tirania de Boltzmann”.
Essa fronteira, que define o limite inferior para a tensão necessária para alternar uma corrente em temperatura ambiente, restringe a eficiência energética dos transistores tradicionais e impede o progresso na eletrônica de alto desempenho.Desenvolvimento sustentável
A boa notícia é que Zehan Wu e colegas da Universidade Politécnica de Hong Kong descobriram um modo de contornar a tirania de Boltzmann usando nanomateriais bidimensionais (2D).
A inovação consiste em uma nova arquitetura de transístor de efeito de campo de tunelamento (TFET) construído com camadas 2D alternadas do semicondutor seleneto de índio (InSe) e, mais surpreendentemente, do metal bismuto (Bi).
[Imagem: Zehan Wu et al. – 10.1126/science.adx6059]
Transístor metálico
Com um controle preciso sobre a estrutura das camadas em nanoescala, o bismuto, normalmente semimetálico, transformou-se em um semicondutor em forma bidimensional, criando um alinhamento ideal das bandas de energia para que os elétrons “saltem” de modo muito eficiente para o InSe, por meio do mecanismo de tunelamento quântico.
O transístor Bi/InSe resultante atingiu valores de oscilação sub-limiar (SS, uma medida da barreira de comutação) bem abaixo do limite termoiônico de 60 mV/década (este é o limite de Boltzmann) ao longo de seis ordens de magnitude da comutação de corrente. Operando à temperatura ambiente em substratos de silício padrão de escala centimétrica, o componente exigiu uma faixa de tensão de porta de apenas 160 mV – muito inferior aos 800 mV exigidos pelos MOSFETs mais avançados.
“O Roteiro Internacional para Dispositivos e Sistemas (IRDS) identificou os TFETs como a alternativa mais promissora aos MOSFETs. Ao substituir a emissão termoiônica pelo tunelamento quântico, o nosso transístor de heteroestrutura 2D ultrapassa este limite de 60 mV por década, superando a limitação padrão dos MOSFETs. O nosso TFET abre caminho para circuitos integrados de consumo ultrabaixo e alto desempenho, essenciais para os emergentes chips de IA e aplicações avançadas de semicondutores,” disse o professor Jianhua Hao.
[Imagem: Zehan Wu et al. – 10.1126/science.adx6059]
Entenda o TFET
O TFET (transístor de efeito de campo de tunelamento) é um tipo emergente de transístor que usa o tunelamento quântico, em vez da emissão termiônica, para controlar o fluxo de corrente.
Os transistores de efeito de campo semicondutores de óxido metálico complementares (MOSFETs) convencionais exploram a emissão termoiônica das cargas elétricas sobre uma barreira, impulsionadas pela tensão na porta, cujo mínimo é de apenas 60 milivolts (mV), o tal do limite de Boltzmann.
Os TFETs, por sua vez, em vez de fornecerem energia térmica para os elétrons superarem a barreira de potencial, modulam o tunelamento de banda a banda por meio de um campo elétrico. Como não está sujeita ao limite de Boltzmann, essa arquitetura chaveia muito mais rápido do que os transistores convencionais, além de exigir muito menos energia.
Apesar de surpreendente, o uso do metal bismuto para fabricar transistores não é exatamente uma novidade: Esse material vem figurando entre as estrelas para uma eletrônica pós-silício.