Transistores, os blocos de construção de dispositivos modernos, atuam como interruptores eletrônicos controlando o fluxo de corrente através dos circuitos. Nas últimas décadas, eles encolheram mais de 1000 vezes de tamanho, tornando dispositivos como laptops e smartphones mais rápidos e compactos.

À medida que ficam menores, Contudo, eles também estão consumindo e desperdiçando mais energia. O tipo mais comum de transistores chamados MOSFETs não pode mudar abruptamente de ligado para desligado, e, portanto, vazar corrente mesmo após o dispositivo ser desligado - quanto menores forem, mais energia eles desperdiçam. Espera-se que as alternativas recentes chamadas FETs de túnel gastem muito menos energia, mas são mais adequadas para dispositivos de baixo desempenho, como relógios ou notebooks.

Pela primeira vez, cientistas do Indian Institute of Science (IISc) combinaram esses dois tipos diferentes de transistores em um único dispositivo que pode alternar facilmente entre os modos de economia de energia e de alto desempenho, dependendo da necessidade. O dispositivo tem um tipo especial de junção semicondutor de metal que pode ser ajustada para se comportar como um MOSFET ou um FET de túnel.

"Você tem flexibilidade, "diz Shubhadeep Bhattacharjee, Ph.D. estudante do Centro de Nano Ciência e Engenharia, IISc e primeiro autor do artigo publicado em Cartas de Física Aplicada . "Usando o mesmo dispositivo, você pode ter alto desempenho que compromete a energia, ou um desempenho ideal, operação de baixa potência. Pense nisso como usar o mesmo carro que um Tata Nano ou um Mercedes Benz. "

Os primeiros transistores eram do tamanho da palma da mão, mas hoje eles são vários milhares de vezes menores do que a largura de um cabelo humano. "A coisa boa sobre essa miniaturização é que agora podemos agrupar mais funções em uma pequena área, "diz o autor sênior Navakanta Bhat, Cadeira, Centro de Nanociência e Engenharia, IISc. É por isso que os smartphones são capazes de fazer mais hoje do que muitos computadores anteriores eram capazes.

Transistores, como MOSFETs convencionais, usado em quase todos os aparelhos eletrônicos hoje, normalmente funcionam como comportas em uma barragem. Eles têm uma fonte, Um dreno, e uma porta que controla o fluxo de elétrons entre os dois. Quando o portão está na posição DESLIGADO, existe uma grande barreira de energia entre a fonte e o dreno que impede a passagem dos elétrons. Quando uma tensão é aplicada, o portão está ligado, a altura da barreira é reduzida, e os elétrons são capazes de pular sobre ele. Quanto menor for a tensão de alimentação necessária para ligar o transistor, mais eficiente é o dispositivo.

Contudo, os cientistas não conseguiram reduzir a tensão de alimentação dos MOSFETs proporcionalmente ao tamanho do transistor, por causa de uma falha fundamental de design. Um fator chamado oscilação de sublimiar - que determina a tensão mínima da porta necessária para que o transistor seja ligado e desligado - restringe a tensão de alimentação a um certo limite inferior de cerca de 1 volt. Isso significa que a eficiência máxima que os MOSFETs podem alcançar será severamente limitada, não importa o tamanho que eles tenham. “Esta é uma limitação fundamental imposta pela física, uma vez que o número de elétrons capazes de pular a barreira é governado pelas estatísticas de Boltzmann, "diz Bhat.

Para superar essa limitação, cientistas tentaram usar transistores chamados FETs de túnel, Onde, ao invés de altura , a largura da barreira de elétrons É reduzido a um ponto onde os elétrons são capazes de "criar um túnel" através da barreira em vez de pular sobre ela. Os FETs de túnel podem operar em tensões de alimentação mais baixas e são muito mais eficientes. Mas eles também têm uma desvantagem:a saída desejada - a corrente fluindo quando o transistor está ligado - é muito reduzida.

Neste estudo, pela primeira vez, os pesquisadores projetaram um dispositivo híbrido capaz de alternar entre os modos MOSFET e túnel FET usando duas portas em vez de uma, e um tipo especial de barreira de elétrons chamada junção de Schottky. A barreira Schottky é criada quando um metal e um semicondutor são unidos sob certas condições. Os pesquisadores usaram processos de projeto específicos para criar uma junção Schottky onde a altura e a largura da barreira podem ser ajustadas de forma independente. O tratamento de enxofre foi usado para habilitar essa engenharia de contato. Além disso, o material da porta foi depositado usando evaporação de feixe de elétrons, em vez do método convencional de deposição de camada atômica.

O dispositivo dual-gated foi capaz de operar em uma tensão mais baixa do que possível com MOSFETs convencionais, reduzindo significativamente o consumo de energia. Isso permitiria a redução da tensão de operação para menos de meio volt. Ele também mostrou desempenho superior em comparação com os FETs de túnel de última geração atuais.

O novo design composto oferece muito mais flexibilidade na função do transistor do que era possível anteriormente, e pode melhorar significativamente a eficiência dos dispositivos eletrônicos, dizem os autores.