Transstor topolgico consome 10 vezes menos energia que transstor de silcio

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Eletrnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 31/12/2021

Transistores topol

Esquema bsico de um transstor topolgico.
[Imagem: Michael S. Fuhrer et al. (2021)]

Isolantes topolgicos

O que todos esperavam, um tanto ansiosamente, acaba de acontecer.

Pesquisadores australianos conseguiram demonstrar o funcionamento de um transstor – o componente fundamental da eletrnica e da computao – usando a promissora classe de materiais conhecidos como isolantes topolgicos, materiais que apresentam vrias caractersticas interessantes porque suas propriedades eletroeletrnicas so diferentes em sua superfcie e em seu interior.

Os ganhos no so pequenos: As primeiras estimativas do conta de que um transstor topolgico apresenta perdas de energia que so, no mnimo, 10 vezes menores do que as perdas dos mais modernos transistores de silcio.

Isso significa um alento para o mundo da computao, que j responsvel pelo consumo de cerca de 8% da energia produzida em todo o mundo.

E a equipe j deu um passo adicional, projetando uma verso ainda mais avanada, em que seu transstor topolgico tira proveito de um fenmeno s recentemente demonstrado, conhecido como capacitncia negativa.

Transstor bsico

Um transstor uma chave eletrnica. Ele tem trs terminais: Uma tenso aplicada ao terminal da base controla a corrente que pode fluir entre os outros dois terminais (chamados de coletor e emissor). Nos chips, os transistores podem estar “ligados” (ou seja, a corrente pode fluir) ou “desligados” (a corrente est bloqueada), representando os 1s e 0s necessrios para as operaes lgicas binrias.

Assim, ligar e desligar um transstor – gravar ou alterar seu dado – requer uma pequena quantidade de energia eltrica a cada vez. Ento some os milhes, ou mesmo bilhes, de transistores nos chip e processadores mais modernos, e a conta de energia sobe rapidamente.

Os transistores de hoje so todos feitos de silcio, que um semicondutor. Ocorre que os semicondutores so isolantes, exigindo uma dopagem com tomos de outros elementos e a aplicao de uma carga eltrica extra para tornar-se condutor. Esse o princpio do to conhecido transstor de efeito de campo (FET): A base conectada por um capacitor a uma fatia do semicondutor que passa entre os terminais coletor e emissor. Uma tenso aplicada na base carrega o capacitor, e sua carga extra em contato com o semicondutor permite que a corrente flua, ligando o transstor, ou passando-o de “0” para “1”.

Transistores topol

O professor Michael Fuhrer na apresentao online em que a equipe descreveu seus resultados com o uso de isolantes topolgicos para construir transistores.
[Imagem: Michael S. Fuhrer et al. (2021)]

Transstor topolgico

Um material isolante topolgico mais interessante porque, embora ele tambm no conduza eletricidade em seu interior, como o silcio, ele conduz naturalmente em sua superfcie, sem qualquer dopagem.

Se ele for fabricado em uma forma tridimensional, ele ir conduzir eletricidade em suas superfcies bidimensionais; se ele for fabricado em camadas muito finas, monoatmicas, ou bidimensionais, ele ir conduzir ao longo de suas bordas unidimensionais.

Michael Fuhrer e seus colegas do Instituto Fleet, na Austrlia, conseguiram finalmente tirar proveito dessas caractersticas para construir transistores funcionais e com um consumo de energia muito baixo.

Fuhrer descobriu como usar um campo eltrico para transicionar um material isolante topolgico (que conduz eletricidade ao longo de suas bordas) em um isolante normal (que no conduz de forma alguma), o que permite que um material topolgico seja usado como um transstor. Ele batizou seu novo transstor de TQFET, ou transstor de efeito de campo quntico topolgico.

O TQFET pode alternar seus estados com uma tenso mais baixa do que um FET convencional, superando a chamada “tirania de Boltzmann”, que define o limite inferior para a tenso necessria para alternar uma corrente em temperatura ambiente. “A comutao de baixa tenso ocorre devido a um efeito chamado acoplamento spin-rbita, que mais forte em elementos mais pesados como o bismuto. Descobrimos que os TQFETs baseados em bismuto poderiam alternar na metade da voltagem e um quarto da energia dos FETs convencionais de tamanho semelhante,” contou o pesquisador Muhammad Nadeem, da Universidade de Wollongong e membro da equipe.

Transistores topol

O plano agora passar dos TQFETs para os NC-TQFETs.
[Imagem: Michael S. Fuhrer et al. (2021)]

Transstor com capacitncia negativa

Como se no fosse bom o suficiente, a equipe ainda descobriu como tirar proveito de uma outra propriedade inusitada, descoberta recentemente, a capacitncia negativa, e us-la no capacitor do seu transstor TQFET.

Um capacitor consiste em dois condutores separados por um isolador. O componente apresenta uma capacitncia C, que expressa a quantidade de carga eltrica Q nos metais quando uma tenso V aplicada entre eles: C = Q/V. Normalmente, este um nmero positivo, mas, se ele for negativo, o capacitor ficaria instvel e poderia carregar sem a aplicao de nenhuma tenso externa.

Mas isso exatamente o que um material ferroeltrico faz: Ele tem uma polarizao espontnea, que carrega suas superfcies. Portanto, um material ferroeltrico pode ser considerado como tendo uma capacitncia negativa em um determinado regime, embora esse regime no seja normalmente acessvel porque instvel.

J existem vrias tentativas de explorar os capacitores negativos na eletrnica, incluindo um transstor com capacitncia negativa, mas ningum conseguiu tirar proveito do fenmeno nos FETs tradicionais porque a queda de tenso necessria para carregar o capacitor devida capacitncia negativa simplesmente desaparece pelo prprio projeto muito aprimorado de construo dos transistores FET atuais.

Mas as coisas so diferentes no TQFET. A adio de uma capacitncia negativa, na forma de um material ferroeltrico, para fabricar um TQFET de capacitncia negativa (NC-TQFET) na verdade amplifica o campo eltrico, o que permite a comutao em tenses e energias muito mais baixas. “O TQFET usa o campo eltrico para chavear, ento pode se beneficiar diretamente da amplificao do campo eltrico que fornecida pela capacitncia negativa,” disse o professor Jared Cole, da Universidade RMIT.

A equipe calculou que um NC-TQFET feito com bismuto e usando hfnio (HfO2) dopado com lantnio (La), um material ferroeltrico que j foi integrado com sucesso ao silcio, poder chavear de ligado para desligado com uma energia 10 vezes menor do que um FET de silcio de ltima gerao. “H ainda mais espao para melhorias,” disse Fuhrer. “Ferroeltricos mais avanados com polarizaes remanescentes maiores poderiam permitir a troca em energias ainda mais baixas.”

Mais do que Moore

No entanto, se o progresso est firme nos TQFET, vrios desafios ainda tero que ser vencidos para fabricar um NC-TQFET funcional. Isolantes topolgicos baseados em bismuto com a estrutura adequada ainda precisaro ser fabricados e testados, e integrar esses materiais com camadas ferroeltricas representa outro desafio nada desprezvel.

Ainda assim, o NC-TQFET fornece um plano claro para reduzir a energia em futuros transistores.

No por acaso, os transistores topolgicos foram adicionados no ano passado ao IEEE International Roadmap for Devices and Systems, o plano internacionalmente acordado que orienta os avanos na tecnologia de semicondutores, conforme mapeado pela famosa Lei de Moore – o roteiro agora j inclui planos delineados como “Mais Moore”, “Mais do que Moore” e “Alm das tecnologias CMOS”.

Bibliografia:

Artigo: Proposal for a Negative Capacitance Topological Quantum Field-Effect Transistor
Autores: Michael S. Fuhrer, M. T. Edmonds, D. Culcer, M. Nadeem, X. Wang, N. Medhekar, Y. Yin, J. H Cole
Revista: Proceedings of the IEDM 2021

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