Com o advento dos transistores semicondutores - inventados em 1947 como um substituto para tubos de vácuo volumosos e ineficientes - veio a demanda consistente por mais rápido, tecnologias mais eficientes em termos de energia. Para preencher essa necessidade, pesquisadores da Universidade de Pittsburgh estão propondo um novo giro em um método antigo:uma mudança do uso da eletrônica de silício de volta para aspiradores como um meio para o transporte de elétrons - exibindo uma mudança de paradigma significativa na eletrônica. Suas descobertas foram publicadas online em Nature Nanotechnology 1 ° de julho.
Nos últimos 40 anos, o número de transistores colocados em placas de circuito integrado em dispositivos como computadores e smartphones dobrou a cada dois anos, produzindo máquinas mais rápidas e eficientes. Este efeito de duplicação, comumente conhecido como "Lei de Moore, "ocorreu pela capacidade dos cientistas de diminuir continuamente o tamanho do transistor, produzindo assim chips de computador com melhor desempenho geral. Contudo, à medida que os tamanhos dos transistores se aproximam de escalas nanométricas mais baixas, está se tornando cada vez mais difícil e caro estender ainda mais a Lei de Moore.
"As barreiras físicas estão impedindo os cientistas de alcançar uma eletrônica mais eficiente, "disse Hong Koo Kim, investigador principal do projeto e professor da Bell of Pennsylvania / Bell Atlantic na Swanson School of Engineering da University of Pittsburgh. "Trabalhamos para resolver esse obstáculo investigando os transistores e seu predecessor - o vácuo."
O limite máximo da velocidade do transistor, diz Kim, é determinado pelo "tempo de trânsito do elétron, "ou o tempo que um elétron leva para viajar de um dispositivo para outro. Elétrons que viajam dentro de um dispositivo semicondutor frequentemente sofrem colisões ou dispersão no meio de estado sólido. Kim compara isso a dirigir um veículo em uma estrada esburacada - carros não podem acelerar muito. Da mesma forma, a energia do elétron necessária para produzir eletrônicos mais rápidos é prejudicada.
"A melhor maneira de evitar essa dispersão - ou engarrafamento - seria não usar nenhum meio, como o vácuo ou o ar em um espaço de escala nanométrica, "disse Kim." Pense nisso como um avião no céu criando uma jornada desobstruída para seu destino. "
Contudo, diz Kim, dispositivos eletrônicos de vácuo convencionais requerem alta tensão, e eles não são compatíveis com muitos aplicativos. Portanto, sua equipe decidiu redesenhar a estrutura do dispositivo eletrônico de vácuo por completo. Com a ajuda de Siwapon Srisonphan, um candidato Pitt PhD, e Yun Suk Jung, Pitt pós-doutorado em engenharia elétrica e da computação, Kim e sua equipe descobriram que os elétrons presos dentro de um semicondutor na interface com um óxido ou camada de metal podem ser facilmente extraídos para o ar. Os elétrons alojados na interface formam uma folha de cargas, chamado gás de elétron bidimensional. Kim descobriu que a repulsão coulômbica - a interação entre partículas eletricamente carregadas - na camada de elétrons permite a fácil emissão de elétrons do silício. A equipe extraiu elétrons da estrutura de silício de forma eficiente, aplicando uma quantidade insignificante de voltagem e, em seguida, colocou-os no ar, permitindo que eles viajem balisticamente em um canal em escala nanométrica sem qualquer colisão ou espalhamento.
"A emissão deste sistema de elétrons em canais de vácuo poderia permitir uma nova classe de baixa potência, transistores de alta velocidade, e também é compatível com a eletrônica de silício atual, complementando esses eletrônicos adicionando novas funções que são mais rápidas e mais eficientes em termos de energia devido à baixa tensão, "disse Kim.
Com esta descoberta, ele diz, existe o potencial para o conceito de transistor de vácuo voltar, mas de uma forma fundamentalmente diferente e aprimorada.
