Uno de los mayores desafíos en la evolución de la electrónica ha sido reducir el consumo de energía durante la operación de conmutación de transistores. En un estudio publicado recientemente en Naturaleza , ingenieros de la Universidad de California, Santa Bárbara, en colaboración con la Universidad de Rice, han demostrado un nuevo transistor que conmuta a solo 0.1 voltios y reduce la disipación de energía en más del 90% en comparación con los transistores de silicio de última generación MOSFET.
Los MOSFET han sido los componentes básicos de los productos electrónicos cotidianos desde la década de 1970. Sin embargo, para satisfacer la creciente necesidad de mayores densidades de transistores, la miniaturización de los MOSFET ha dado lugar a un desafío de disipación de energía debido a las limitaciones fundamentales de su giro.en características.
"La inclinación del encendido de un transistor se caracteriza por un parámetro conocido como oscilación por debajo del umbral, que no se puede bajar por debajo de cierto nivel en los MOSFET", explicó Kaustav Banerjee, profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática en la Universidad de California en Santa Bárbara. ASe requiere un cambio mínimo de voltaje de puerta de 60 milivoltios a temperatura ambiente para cambiar la corriente por un factor de diez en MOSFET. En esencia, el estado actual de la tecnología de transistores limita el potencial de eficiencia energética de los circuitos digitales en general.
El grupo de investigación del profesor Kaustav Banerjee en la UC Santa Bárbara adoptó un nuevo enfoque para subvertir esta limitación fundamental. Emplearon el fenómeno mecánico cuántico del túnel de banda a banda para diseñar un transistor de efecto de campo de túnel TFET con sub-60mVpor década de oscilación subliminal.
"Reestructuramos la fuente del transistor a la unión del canal para filtrar los electrones de alta energía que pueden difundirse sobre la barrera fuente / canal incluso en el estado apagado, haciendo que la corriente del estado apagado sea insignificantemente pequeña", explicó Banerjee. En UCSB, Nanoelectrónica de BanerjeeEl Laboratorio de Investigación incluye a Deblina Sarkar, Xuejun Xie, Wei Liu, Wei Cao, Jiahao Kang y Stephan Kraemer, así como a Yongji Gong y Pulickel Ajayan de la Universidad de Rice.
Banerjee y sus colegas están motivados por una industria electrónica mundial que pierde miles de millones de dólares cada año por el impacto de la disipación de energía en el costo y la confiabilidad del chip ". Esto se traduce en una menor duración de la batería en dispositivos personales como teléfonos celulares y computadoras portátiles, y masivaconsumo de energía de servidores en grandes centros de datos ", agrega Banerjee, señalando la escala global de esta demanda de energía.
Banerjee explica que "una industria que se basa en semiconductores convencionales como el silicio o los semiconductores compuestos III-V como el material del canal para los TFET" enfrenta limitaciones porque estos materiales tienen una alta densidad de estados de superficie, lo que aumenta la corriente de fuga y degrada la oscilación subliminal"
El TFET diseñado por el equipo de UCSB superó este desafío de varias maneras, la más importante fue el uso de un material bidimensional en capas 2D llamado disulfuro de molibdeno MoS¬2. Como el canal que transporta la corriente colocado sobre unEl germanio altamente dopado Ge como electrodo fuente, MoS2 ofrece una superficie ideal y un grosor de solo 1.3 nm. La heteroestructura vertical resultante proporciona una unión de canal fuente única que está libre de tensión, tiene una barrera baja para que los electrones que transportan corrientetúnel a través de Ge a MoS¬2 a través de una brecha de van der Waals ultradelgada ~ 0.34nm, y un área de túnel grande
"El quid de nuestra idea es combinar materiales 3D y 2D en una heteroestructura única, para lograr lo mejor de ambos mundos. La tecnología de dopaje madurada de las estructuras 3D se combina con la naturaleza ultradelgada y las interfaces prístinas de las capas 2D paraobtener una barrera eficiente de túneles de mecánica cuántica, que se pueda ajustar fácilmente por la puerta ", comentó Deblina Sarkar, autora principal del artículo y estudiante de doctorado en el laboratorio de Banerjee.
"Hemos diseñado lo que es, en la actualidad, el transistor subthermiónico de canal más delgado jamás fabricado", dijo Banerjee. Su túnel de canal semiconductor atómicamente delgado y en capas FET o ATLAS-TFET es la única TFET de arquitectura plana para lograr subthermiónico.oscilación por debajo del umbral ~ 30 milivoltios / década a temperatura ambiente durante cuatro décadas de corriente de drenaje, y el único en cualquier arquitectura en lograrlo con un voltaje de fuente de drenaje ultra bajo de 0.1V.
Ajayan, coautor y profesor de ingeniería química y biomolecular en la Universidad de Rice, comentó: "Este es un ejemplo notable que muestra la singularidad de los materiales en capas atómicos 2D que permite el rendimiento del dispositivo que los materiales convencionales no podrán lograr. Esto esquizás el primer avance en una serie de dispositivos novedosos que la gente ahora aspirará a construir utilizando materiales 2D ".
"El trabajo es un importante paso adelante en la búsqueda de un transistor lógico de bajo voltaje. La demostración del funcionamiento sub-térmico en cuatro órdenes de magnitud es impresionante, y la corriente también avanza en el estado del arte"Todavía hay un largo camino por recorrer, pero este trabajo demuestra el potencial de los materiales 2D para realizar el dispositivo de bajo voltaje que tanto se busca", comentó Mark Lundstrom, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Purdue.
"Hemos demostrado cómo lograr la métrica más importante de oscilación subliminal empinada que cumple con los requisitos de ITRS. Nuestro transistor puede utilizarse para una serie de aplicaciones de baja potencia, incluidas arenas donde la oscilación subliminal empinada es el requisito principal, como los biosensoreso sensores de gas. Con un rendimiento mejorado, la gama de aplicaciones de este transistor puede ampliarse aún más ", explicó Wei Cao, un estudiante de doctorado en el grupo de Banerjee y coautor del artículo.
"Este trabajo representa un paso importante para acercar los materiales 2D a las aplicaciones reales en electrónica. El uso de materiales 2D en los transistores de túnel comenzó hace poco, y este documento brinda a todo el campo otro fuerte impulso para mejorar las características de dichos dispositivosaún más ", comentó el Dr. Konstantin Novoselov, profesor de física en la Universidad de Manchester. Novoselov fue co-receptor del Premio Nobel de Física 2010, otorgado por el descubrimiento del grafeno.
"Cuando escuché por primera vez la idea de Banerjee de usar materiales 2D para diseñar transistores de túnel entre bandas en 2012, reconocí su mérito y su inmenso potencial para la electrónica de potencia ultrabaja. Me complace ver que su visión se ha realizado".comentó James Hwang, profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Lehigh, quien entonces era el gerente del programa AFOSR responsable de financiar esta investigación.
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Materiales proporcionados por Universidad de California - Santa Bárbara . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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