Transístor FET quântico pronto para operar em circuitos reais

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/12/2022

A grande vantagem do transístor quântico é um baixíssimo consumo de energia.
[Imagem: UPenn]

Transístor de baixo consumo

Os transistores de efeito de campo (FETs) oferecem um dos melhores equilíbrios entre velocidade e eficiência energética da atualidade, o que lhes garante lugar em todos os dispositivos de computação.

No entanto, o que temos na atualidade não está conseguindo responder aos apelos por maior eficiência em termos de energia, um problema que se agrava continuamente pela maior demanda computacional - mesmo quando operando nas tensões mínimas possíveis, os FETs ainda consomem muita energia.

Por conta disso, pesquisadores em todo o mundo têm trabalhado para redesenhar os FETs com esses imperativos de energia em mente.

Jinshui Miao e colegas da Universidade da Pensilvânia, nos EUA, estão disparando na frente nessa corrida, apresentando um projeto de FET que reduz quase pela metade a quantidade de energia necessária para comutação (passar de um estado "0" para um estado "1" ou vice-versa).

"Atualmente, os dispositivos de computação contêm tantos transistores - dezenas de bilhões - que mesmo uma pequena redução no uso de energia faria uma grande diferença. Nossos resultados com este projeto representam uma grande redução, o que significa que o impacto na eficiência energética geral será enorme. Ele diminui os mínimos teóricos atuais em uma quantidade surpreendente," comemorou o professor Deep Jariwala, cuja equipe também está tentando construir um processador sem transístor.

No tunelamento quântico, a partícula vence uma barreira sólida porque se comporta como uma onda.
[Imagem: Yoschi/Wikimedia]

TFET

O novo componente obteve um ganho surpreendente em eficiência energética tirando proveito de uma propriedade da física quântica conhecida como tunelamento, quando as partículas - neste caso, os elétrons - movem-se através de barreiras de energia, como se criassem túneis para atravessar os materiais sólidos.

Por conta disso, o novo transístor é considerado um TFET, um FET com tunelamento (Tunneling Field Effect Transistor), também conhecido como transístor quântico.

"Imagine um elétron se movendo por um FET como se fosse uma bola que precisa rolar uma colina para chegar ao outro lado," explica Chloe Leblanc, uma das responsáveis pela construção do novo transístor. "Em um TFET, a bola não precisa rolar colina acima - ela recebe um pequeno empurrão e consegue fazer um túnel através da colina. O que é empolgante neste estudo é que pudemos confirmar por meio de várias demonstrações e simulações de componentes que essa física, o tunelamento de elétrons, é definitivamente a razão pela qual nosso transístor é tão eficaz em baixa potência."

Esquema do transístor FET de tunelamento e micrografias do componente real.
[Imagem: Jinshui Miao et al. - 10.1038/s41928-022-00849-0]

Transístor de tunelamento

Os cientistas vêm experimentando a tecnologia FET de tunelamento há décadas, mas têm tropeçado em contrapartidas intransponíveis em termos de potência e desempenho. Até agora, os TFETs eram capazes de operar ou abaixo do mínimo de tensão teórica (60 mV/década, uma métrica conhecida como limite de Boltzmann), ou com densidade de corrente suficiente para funcionar em aplicações nos níveis de circuito e sistema.

Este novo projeto conseguiu pela primeira vez fazer as duas coisas simultaneamente.

"O que foi fundamental para a nossa solução é um novo semicondutor experimental chamado seleneto de índio (InSe), que é limpo o suficiente, em termos de qualidade de cristal, e atinge alta densidade de corrente de acionamento. Agora que temos uma estrutura que permite alta densidade de corrente e baixa tensão, podemos começar a construir um argumento forte para substituir um FET padrão por um TFET," disse Jariwala.

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