Transístor a vácuo supera eletrônica sólida

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/07/2012

Os elétrons, representados pelas esferas azuis, emitidos na interface entre uma camada de óxido (verde) e silício (azul claro) viajam no ar e são capturados por uma camada de grafeno.
[Imagem: Univ.Pitt]

Pegando o vácuo

Há cerca de um mês, cientistas causaram sensação ao apresentar um nanotransístor a vácuo, que mais parece uma reinvenção das antigas válvulas eletrônicas.

Parece que a ideia tem sustentação, tendo vindo para ficar.

Agora foi a vez de uma equipe da Universidade de Pittsburgh, nos Estados Unidos, apresentar a sua versão de transístor a vácuo - já com uma tensão operacional muito mais baixa.

Eletrônica a vácuo

Mas por que voltar a um princípio de funcionamento virtualmente abandonado desde a invenção do transístor, em 1947?

Ocorre que o vácuo é um meio muito mais eficiente para o transporte de elétrons do que os semicondutores.

E, conforme os componentes eletrônicos ficam cada vez menores, a trupe de elétrons passando por eles representa uma liberação de calor cada vez maior, atrapalhando o funcionamento do próprio componente.

O limite final para a velocidade de um transístor é determinado pelo tempo de trânsito do elétron, o tempo que leva para que um elétron viaje de um componente a outro.

Quando viajam por um semicondutor, os elétrons sofrem colisões na rede atômica do material. Assim, para que eles andem mais rápido, é necessário aplicar-lhes energias cada vez maiores.

"A melhor forma de evitar esse espalhamento - esse congestionamento - é não usar nenhum meio de trânsito, mas uma espécie de vácuo, ou uma porção de ar em escala nanométrica," afirma o Dr. Hong Koo Kim, líder da equipe.

Gás de elétrons

As válvulas eletrônicas já faziam isso, mas exigiam tensões e correntes muito elevadas.

Para evitar isso, os pesquisadores repensaram toda a estrutura da eletrônica a vácuo.

O próximo passo será construir circuitos híbridos - com transistores "duros" e transistores a vácuo - que demonstrem isso na prática.
[Imagem: Srisonphan/Nature Nanotechnology]

Coube a Siwapon Srisonphan e Yun Suk Jung descobrirem que os elétrons aprisionados no interior de um semicondutor na interface com uma camada de óxido ou de metal podem ser facilmente extraídos para o ar.

Mais do que isso, a repulsão coulombiana - a interação entre partículas eletricamente carregadas - permite que os elétrons sejam facilmente "extraídos" do silício.

Os elétrons capturados dessa maneira formam uma camada de cargas, chamada gás eletrônico bidimensional.

Uma vez no vácuo, os elétrons viajam balisticamente por um canal nanométrico, sem qualquer colisão ou espalhamento.

Circuitos híbridos

Para capturar os elétrons de volta, depois que eles chisparam pelo vácuo, os cientistas usaram uma malha de grafeno, que dá aos elétrons um meio de condução muito mais rápido do que os outros materiais usados no dispositivo.

"A emissão desse sistema de elétrons em canais de vácuo pode viabilizar a criação de uma classe inteiramente nova de transistores de alta velocidade e baixa potência," disse o Dr. Kim.

Com a vantagem de que os transistores a vácuo, em tese serão totalmente compatíveis com a eletrônica sólida atual.

O próximo passo será construir circuitos híbridos - com transistores "duros" e transistores a vácuo - que demonstrem isso na prática.

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