(PhysOrg.com) - Os engenheiros construíram o primeiro transistor de nanotubo de carbono (CNT) com um comprimento de canal abaixo de 10 nm, um tamanho que é considerado um requisito para a tecnologia de computação na próxima década. Não apenas o minúsculo transistor pode controlar suficientemente a corrente, ele o faz significativamente melhor do que o previsto pela teoria. Ele ainda supera os melhores transistores de silício concorrentes nesta escala, demonstrando uma densidade de corrente superior em uma tensão de operação muito baixa.

Os engenheiros, da IBM T.J. Watson Research Center em Yorktown Heights, Nova york; ETH Zurich em Zurique, Suíça; e a Purdue University em West Lafayette, Indiana, publicaram seu estudo sobre o primeiro transistor CNT sub-10 nm em uma edição recente da Nano Letras .

Muitos grupos de pesquisa estão trabalhando na redução do tamanho dos transistores, a fim de atender aos requisitos da futura tecnologia de computação para menores, circuitos integrados mais densos. Quando os transistores de hoje (transistores de efeito de campo de semicondutor de óxido de metal de silício, ou Si MOS-FETs) são reduzidos, eles perdem a capacidade de controlar efetivamente a corrente elétrica, um problema chamado efeitos de canal curto. Por esta razão, pesquisadores têm modificado o design do Si MOS-FET na tentativa de fazer o transistor funcionar melhor em comprimentos de porta abaixo de 10 nm, mas esses dispositivos ainda enfrentam desafios de desempenho.

No novo estudo, os engenheiros descartaram completamente o silício e se voltaram para os CNTs de parede única. Devido às suas propriedades elétricas superiores e corpos ultrafinos (diâmetro de 1-2 nm), Os CNTs têm sido propostos como substitutos do silício há vários anos. Seus corpos ultrafinos devem permitir que os CNTs mantenham o controle da corrente em um transistor, mesmo em canais curtos, potencialmente permitindo que evitem efeitos de canal curto. O transistor CNT sub-10 nm da equipe da IBM é o primeiro a demonstrar essas vantagens.

“O maior significado deste trabalho está na demonstração de que os transistores de nanotubos de carbono podem não apenas ter um bom desempenho em comprimentos abaixo de 10 nm, mas que seu desempenho é melhor do que os transistores baseados em Si mais bem relatados em comprimentos semelhantes, ”O pesquisador da IBM Aaron Franklin disse PhysOrg.com . “Por anos, sabe-se que dimensionar dispositivos de silício em massa seria extremamente desafiador, se não impossível, quando os comprimentos se aproximam de 10-15 nm ... O excelente desempenho de baixa tensão deste transistor de nanotubo de carbono em escala é um sinal que mostra que há uma alternativa demonstrável para transistores extremamente dimensionados. ”

Até que os engenheiros construíram o transistor CNT sub-10 nm, ninguém sabia que eles teriam um desempenho tão bom. As teorias previam que os CNTs com canais ultrafinos experimentariam uma perda de controle de porta, bem como uma perda de saturação de corrente de dreno na saída, ambos degradariam o desempenho.

“A razão pela qual a teoria projetou uma perda de controle de porta para transistores de nanotubos abaixo de 15 nm ou mais (apesar de serem extremamente finos) está relacionada a outra física de transporte exclusiva para dispositivos de nanotubos, ”Franklin disse. “Ou seja, as massas efetivas do portador (massa de elétrons) são muito pequenas para os nanotubos em comparação com outros semicondutores, o que significa que eles podem criar um túnel ou vazar no dispositivo com mais facilidade. Esta é uma das razões pelas quais as teorias sugeriram uma perda de controle do portão, porque esses porta-aviões 'leves' começariam a cavar túneis incontrolavelmente quando os comprimentos se tornassem muito pequenos. No papel, mostramos que a razão para essa discrepância é em grande parte devido a modelos físicos insuficientes para transporte nos contatos nanotubo-metal - os modelos anteriores ignoram o que poderia estar acontecendo com os elétrons passando pela junção metal-nanotubo. ”

Quando os engenheiros fabricaram vários transistores individuais no mesmo nanotubo, o menor com um comprimento de canal de apenas 9 nm, eles observaram que o menor transistor exibiu comportamento de comutação excelente e saturação de corrente de drenagem, desafiando as previsões. Quando comparados com os transistores de Si sub-10 nm de melhor desempenho de vários projetos e diâmetros, o transistor CNT de 9 nm tinha uma densidade de corrente normalizada por diâmetro de mais de quatro vezes a do melhor transistor de silício. E exibiu esta densidade de corrente impressionante em uma baixa tensão de operação (0,5 volts), o que é importante para reduzir o consumo de energia.

Os pesquisadores preveem que os modelos teóricos podem ser melhorados focando mais no transporte entre os contatos de metal e o CNT. Eles também acham que os transistores CNT de 9 nm de alto desempenho demonstram o potencial para usar transistores CNT na tecnologia de computação do futuro.

“A principal implicação é que os nanotubos de carbono ainda valem a pena ser considerados para uma futura tecnologia de transistor em escala, ”Franklin disse. “O que muitas vezes não é percebido por aqueles que estão fora do campo é que os transistores de nanotubos de carbono são essencialmente os únicos dispositivos que não são de silício que têm se mostrado experimentalmente promissores em transistores extremamente dimensionados. Existem muitos dispositivos promovidos pela teoria, ou demonstrado em estruturas de dispositivos maiores, mas nenhum foi capaz de mostrar o nível de desempenho de bancada de pesquisa que os nanotubos têm. Agora, dito isto, deve-se notar que existem desafios pela frente antes que alguém veja uma solução de transistor integrada a partir de nanotubos. Mas, Até a presente data, nada relacionado a transistores de nanotubos mostrou ser fundamentalmente impossível de resolver, desde a colocação de nanotubos em locais precisos até a separação completa de nanotubos metálicos e semicondutores. ”

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