Un equipo de investigación de la Universidad Politécnica de Hong Kong (PolyU) ha diseñado un novedoso transistor de efecto de campo por túnel (TFET) que rompe la barrera física conocida como el 'límite de Boltzmann', un avance significativo para la microelectrónica. Publicado en la revista Science, este avance podría transformar la computación energéticamente eficiente y el desarrollo de chips de IA de próxima generación.

Los transistores convencionales, que son los bloques fundamentales de los circuitos integrados, dependen de la emisión termoiónica para encenderse y apagarse. A temperatura ambiente, este proceso requiere un voltaje de compuerta mínimo de 60 milivoltios (mV), una restricción establecida por el límite de Boltzmann que ha obstaculizado la miniaturización y las mejoras de eficiencia energética en la electrónica de alto rendimiento. El equipo de PolyU, dirigido por el profesor Jianhua Hao, jefe del Departamento de Física y Materiales y profesor titular de Física de Materiales y Dispositivos, eludió esta limitación mediante el empleo del túnel cuántico.

El túnel cuántico permite que los portadores de carga atraviesen una barrera de energía que sería insuperable según la física clásica. Mediante el diseño cuidadoso de una heteroestructura de capas de bismuto 2D y seleniuro de indio, el equipo transformó el bismuto, normalmente semimetálico, en un semiconductor. Este cambio estructural permite un túnel cuántico eficiente de los portadores hacia el seleniuro de indio, produciendo un transistor con valores de oscilación de subumbral (SS) muy por debajo del límite de 60 mV por década. La oscilación de subumbral mide qué tan bruscamente conmuta un transistor entre sus estados de apagado y encendido; una conmutación más abrupta implica que se necesita menos voltaje y, por lo tanto, menos energía para cada operación de conmutación. La búsqueda de dispositivos que superen este umbral de 60 mV/década ha sido un objetivo de larga data en el campo, con los TFET entre los principales candidatos estudiados en todo el mundo, junto con otros enfoques de pendiente pronunciada como los transistores de capacitancia negativa.

El nuevo TFET opera a temperatura ambiente sobre sustratos de silicio, una ventaja práctica crucial para su integración en los procesos de fabricación existentes. Requiere un rango de voltaje de compuerta de solo 160 mV, en comparación con los 800 mV que necesitan los dispositivos convencionales. Esta drástica reducción en los requisitos de voltaje se traduce en un consumo de energía significativamente menor, un factor clave para la computación energéticamente eficiente y para la tecnología de IA, que exige una enorme capacidad de cómputo. Dado que la energía de conmutación de los transistores escala con el voltaje, reducir los voltajes de operación es una de las palancas más directas para disminuir el consumo energético de los procesadores, una preocupación cada vez más apremiante a medida que crecen los requisitos de cómputo y energía del entrenamiento y la inferencia de IA.

Uno de los mayores desafíos en los TFET experimentales anteriores era lograr una alta corriente de salida manteniendo al mismo tiempo una alta relación de corriente ON/OFF. El dispositivo de PolyU supera este obstáculo, ofreciendo tanto una alta corriente de salida como una excepcional relación de conmutación ON/OFF. Este rendimiento permite que el transistor impulse múltiples compuertas lógicas posteriores y reduce los retrasos de circuito, haciéndolo adecuado para circuitos integrados prácticos.

El profesor Hao subrayó la importancia de este avance: 'Al adoptar el túnel cuántico, nuestro TFET rompe esta frontera, allanando el camino hacia circuitos integrados de ultrabajo consumo y alto rendimiento, esenciales para los chips de IA emergentes y las aplicaciones avanzadas de semiconductores'.

La investigación se realizó en colaboración con la Universidad Nacional de Singapur, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong, la Universidad de Pekín y la Universidad Tecnológica y de Diseño de Singapur.

Este desarrollo tiene amplias implicaciones para el futuro de la electrónica. A medida que la industria de los semiconductores se acerca a los límites físicos de la tecnología MOSFET convencional, enfoques innovadores como los TFET de túnel cuántico ofrecen un camino viable. Operar a voltajes más bajos sin sacrificar rendimiento podría permitir centros de datos más eficientes, mayor duración de batería en dispositivos móviles y sistemas de IA más potentes que consumen menos energía. La exitosa demostración de esta tecnología sobre sustratos de silicio sugiere una transición más fluida de la investigación a la aplicación comercial, aunque pasar de una demostración de laboratorio a la fabricación en volumen generalmente requiere un mayor desarrollo en calidad de materiales, uniformidad de los dispositivos e integración de procesos a gran escala.

Fuente: Citybuzz