Transistores mix-dimensionais saltam da lógica binária para a lógica multivalorada

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/03/2024

Diagrama esquemático do transístor que mescla materiais de diferentes dimensões (1D e 2D).
[Imagem: Johnny Ho Group/City University of Hong Kong]

Transístor de dimensões mistas

Estamos em pleno processo de migração da tecnologia dos transistores, que deverão passar dos semicondutores 3D atuais, como silício e germânio, para os materiais 2D, ou bidimensionais, ou ainda materiais de van der Waals, como grafeno, molibdenita ou os dicalcogenetos de metais de transição.

Um pouco adiante no futuro estão os materiais 1D, ou unidimensionais, fileiras formadas por moléculas individuais, mais conhecidos como nanofios.

Mas talvez não precise haver essas "rupturas dimensionais" radicais.

Wei Wang e colegas da Universidade Cidade de Hong Kong acabam de criar um transístor "mixdimensional", um componente eletrônico feito mesclando materiais 2D com materiais 1D.

"Nossas descobertas mostram que componentes anti-ambipolares de dimensões mistas viabilizam o projeto de circuitos de chips com alta densidade de armazenamento de informações e capacidade de processamento de informações. Até agora, a maioria dos pesquisadores da indústria de semicondutores concentrou-se na miniaturização de dispositivos para manter a lei de Moore em funcionamento. Mas o advento do componente anti-ambipolar mostra a superioridade comparativa da tecnologia existente baseada em lógica binária.

"A tecnologia desenvolvida nesta pesquisa representa um grande passo em direção à próxima geração de circuitos integrados multifuncionais e tecnologias de telecomunicações," disse o professor Johnny Ho, coordenador da equipe.

Micrografias dos transistores anti-ambipolares mix-dimensionais.
[Imagem: Wei Wang et al. - 10.1016/j.device.2023.100184]

Lógica multivalorada

Além de representar uma inovação marcante no campo dos componentes semicondutores, este avanço representa um passo importante da lógica binária atual para a lógica multivalorada, que emergiu como uma tecnologia promissora para superar o aumento do consumo de energia dos processadores eletrônicos.

A lógica multivalorada transcende as limitações dos sistemas lógicos binários, reduzindo significativamente o número de transistores e suas interconexões, permitindo maior densidade de informações e menor dissipação de energia. Inúmeras equipes ao redor do mundo têm centrado seus esforços na construção de componentes lógicos de múltiplos valores, incluindo os transistores antiambipolares (AAT: anti-ambipolar transistor).

Componentes antiambipolares são uma classe de transistores nos quais os portadores de carga positiva (lacunas) e negativa (elétrons) podem ser transportados simultaneamente dentro do canal semicondutor. No entanto, os protótipos desenvolvidos até agora utilizam predominantemente materiais 2D ou materiais orgânicos, que são instáveis para integração em larga escala. Além disso, suas características de frequência e eficiência energética ainda não estão bem definidas.

Para resolver essas limitações, a equipe iniciou pesquisas para desenvolver circuitos baseados em componentes anti-ambipolares com maior densidade de informações e menos interconexões. Eles descobriram a receita mais promissora criando um novo heterotransístor de dimensões mistas, que combina as propriedades exclusivas de nanofios (1D) de antimonida de arseneto de gálio (GaAsSb) de alta qualidade e nanoflocos (2D) de molibdenita (MoS₂).

Os transistores AAT permitem implementar tanto a computação digital quando a computação analógica.
[Imagem: EPFL]

Desempenho excepcional

Os novos transistores anti-ambipolares apresentaram um desempenho excepcional. Devido ao forte acoplamento interfacial entre os materiais 1D e 2D, e às propriedades de alinhamento da estrutura de banda da junção GaAsSb/MoS₂ de dimensão mista, o heterotransístor possui características de transferência anti-ambipolar proeminentes com a inversão da transcondutância.

O chaveamento da transcondutância dobra a frequência em resposta ao sinal do circuito analógico de entrada, reduzindo bastante o número de componentes necessários - em comparação com o multiplicador de frequência convencional na tecnologia CMOS.

"Nossos transistores anti-ambipolares de dimensões mistas podem implementar circuitos lógicos de múltiplos valores e multiplicadores de frequência simultaneamente, tornando este o primeiro de seu tipo no campo de aplicações de transistores anti-ambipolares," disse o professor Ho.

As características da lógica multivalorada simplificam as complicadas redes de fiação dentro dos chips e reduzem a dissipação de calor. A redução da dimensionalidade, juntamente com uma pequena região de junção, tornam o componente rápido e eficiente em termos energéticos, resultando em circuitos digitais e analógicos de alto desempenho.

Mais tópicos