Os transistores de silício já são muito bons, mas como outros objetos do mundo físico, apresentam algumas limitações. As leis da física criam gargalos no desempenho e na eficiência energética. Agora, uma equipe de engenheiros do MIT pode ter encontrado uma maneira de ultrapassar esses limites de maneiras quânticas selvagens, usando um design de transistor radicalmente novo.
O problema que querem resolver é a chamada “tirania de Boltzmann”. Refere-se ao limite fundamental da tensão necessária para comutar um transistor de silício à temperatura ambiente; se a tensão for ajustada para um valor muito baixo, o transistor perde a capacidade de chavear. Este limite de tensão mais baixo impede melhorias significativas na eficiência energética na eletrónica, o que pode tornar-se um problema à medida que aplicações de inteligência artificial que consomem muita energia assumem mais tarefas de processamento.
A equipe de pesquisa do MIT criou transistores experimentais usando materiais semicondutores exclusivos, como antimoneto de gálio e arsenieto de índio, em vez do silício tradicional. A pesquisa, financiada em parte pela Intel Corporation, foi publicada recentemente na Nature Electronics.
A verdadeira magia, no entanto, reside no seu minúsculo design tridimensional único, que foi projetado usando ferramentas de precisão no MIT.nano, uma instalação dedicada à pesquisa em nanoescala no MIT. O transistor usa uma heteroestrutura vertical de nanofios com diâmetro de apenas 6 nanômetros, que os pesquisadores acreditam ser o menor transistor 3D relatado até o momento.
Nessa escala, alguns efeitos quânticos entram em ação, permitindo que os transistores contornem as limitações físicas do silício. Os cientistas projetaram o transistor para alcançar o tunelamento quântico, onde os elétrons passam essencialmente através de uma barreira isolante em vez de sobre ela, permitindo que o transistor dispare em uma voltagem mais baixa. Outro efeito é o confinamento quântico, onde as dimensões estreitas dos nanofios alteram as propriedades do material.
Combinando esses efeitos, o dispositivo do MIT consegue algo que o silício não consegue: alcançar tempos de comutação extremamente rápidos usando tensões extremamente pequenas. Os testes mostraram que a inclinação da tensão de comutação é mais acentuada do que a inclinação limite dos materiais de silício convencionais. Na verdade, seu desempenho atual é cerca de 20 vezes maior do que outros transistores de túnel experimentais.
“Esta é uma tecnologia que tem potencial para substituir o silício, então você pode usá-la para realizar todas as funções que o silício desempenha atualmente, mas com muito mais eficiência energética”, disse Yanjie Shao, pós-doutorado e primeiro autor do projeto.
É claro que ainda há um longo caminho a percorrer desde a prova do conceito até à comercialização, e a equipa reconhece isso.
"A física tradicional só pode ir até certo ponto. O trabalho de Yan Jie mostra que podemos fazer melhor, mas temos que usar uma física diferente." “Há muitos desafios que precisam ser superados para comercializar este método no futuro, mas conceitualmente este é realmente um avanço”, disse Jesús del Alamo, autor sênior do artigo e do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação do MIT.
A equipe também observou que é necessário melhorar o processo de fabricação para que os transistores em nanoescala sejam mais uniformes em todo o chip.
Esta não é a primeira vez que o MIT trabalha para ultrapassar os limites da Lei de Moore. No início deste ano, cientistas do MIT demonstraram um transistor que pode ligar e desligar em nanossegundos e tem durabilidade de até um bilhão de ciclos.