Los transistores de silicio, que se utilizan para amplificar y conmutar señales, son un componente fundamental en la mayoría de los dispositivos electrónicos. Sin embargo, esta tecnología de semiconductores de silicio se frena por un límite físico, conocido como ‘tiranía de Boltzmann’, que impide que los transistores funcionen por debajo de un determinado voltaje. El Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) ha fabricado un tipo diferente de transistor tridimensional utilizando un conjunto único de materiales semiconductores ultrafinos.
En los dispositivos electrónicos, los transistores de silicio suelen funcionar como interruptores. Al aplicar un voltaje al transistor, los electrones se mueven a través de una barrera de energía de un lado al otro, lo que hace que el transistor pase de apagado a encendido. Al conmutar, los transistores representan dígitos binarios para realizar cálculos.
La pendiente de conmutación de un transistor refleja la nitidez de la transición de apagado a encendido. Cuanto más pronunciada sea la pendiente, menos voltaje se necesita para encender el transistor y mayor será su eficiencia energética. Pero debido a la forma en que los electrones se mueven a través de una barrera de energía, la tiranía de Boltzmann requiere un cierto voltaje mínimo para conmutar el transistor a temperatura ambiente.
Para superar el límite físico del silicio, los investigadores del MIT utilizaron un conjunto diferente de materiales semiconductores (antimonuro de galio y arseniuro de indio) y diseñaron sus dispositivos para aprovechar un fenómeno único en la mecánica cuántica llamado efecto túnel cuántico, que es la capacidad de los electrones de atravesar barreras. Los investigadores fabricaron transistores de efecto túnel que aprovechan esta propiedad para alentar a los electrones a atravesar la barrera energética en lugar de atravesarla.
Estructuras tridimensionales
Gracias a las herramientas de MIT.nano, los ingenieros pudieron controlar cuidadosamente la geometría 3D de sus transistores, creando heteroestructuras de nanocables verticales con un diámetro de tan solo 6 nanómetros.
Esta ingeniería tan precisa permitió lograr una pendiente de conmutación pronunciada y una corriente elevada simultáneamente, lo que es posible gracias a un fenómeno llamado confinamiento cuántico. El confinamiento cuántico se produce cuando un electrón queda confinado en un espacio tan pequeño que no puede moverse. Cuando esto sucede, la masa efectiva del electrón y las propiedades del material cambian, lo que permite que el electrón se convierta en un túnel más fuerte a través de una barrera.
Debido a que los transistores son tan pequeños, los investigadores pueden diseñar un efecto de confinamiento cuántico muy fuerte y al mismo tiempo fabricar una barrera extremadamente delgada.
Cuando los investigadores probaron sus dispositivos, la agudeza de la pendiente de conmutación estaba por debajo del límite fundamental que se puede lograr con transistores de silicio convencionales. Sus dispositivos también funcionaron aproximadamente 20 veces mejor que los transistores de tunelización similares.
Los investigadores se esfuerzan ahora por mejorar sus métodos de fabricación para que los transistores sean más uniformes en todo el chip. Con dispositivos tan pequeños, incluso una variación de un nanómetro puede cambiar el comportamiento de los electrones y afectar el funcionamiento del dispositivo. También están explorando estructuras verticales en forma de aletas, además de transistores de nanocables verticales, que podrían mejorar potencialmente la uniformidad de los dispositivos en un chip.