p As empresas de semicondutores estão se esforçando para desenvolver dispositivos que têm meros nanômetros de tamanho, e grande parte do desafio está em ser capaz de descrever com mais precisão a física subjacente nessa nanoescala. Mas uma nova abordagem computacional que está em desenvolvimento há uma década pode quebrar essas barreiras. p Dispositivos que usam semicondutores, de computadores a células solares, desfrutaram de enormes melhorias de eficiência nas últimas décadas. Notoriamente, um dos cofundadores da Intel, Gordon Moore, observaram que o número de transistores em um circuito integrado dobra a cada dois anos - e essa 'lei de Moore' se manteve verdadeira por algum tempo.

p Nos últimos anos, Contudo, esses ganhos diminuíram à medida que as empresas que tentam projetar transistores em escala nanométrica atingem os limites da miniaturização no nível atômico.

p Pesquisadores da Escola de Engenharia Elétrica da KAIST desenvolveram uma nova abordagem para a física subjacente dos semicondutores.

p "Com os sistemas quânticos abertos como o principal alvo de pesquisa de nosso laboratório, estávamos revisitando conceitos que eram dados como certos e até mesmo aparecem em livros-texto de física de semicondutores padrão, como a queda de tensão em dispositivos semicondutores operacionais, "disse o pesquisador líder, Professor Yong-Hoon Kim." Questionando como todos esses conceitos poderiam ser compreendidos e possivelmente revisados ​​em nanoescala, estava claro que havia algo incompleto sobre o nosso entendimento atual. "

p "E como os chips semicondutores estão sendo reduzidos ao nível atômico, bolar uma teoria melhor para descrever dispositivos semicondutores tornou-se uma tarefa urgente. "

p O entendimento atual afirma que semicondutores são materiais que agem como casas intermediárias entre os condutores, como cobre ou aço, e isoladores, como borracha ou isopor. Eles às vezes conduzem eletricidade, Mas não sempre. Isso os torna um ótimo material para controlar intencionalmente o fluxo de corrente, que, por sua vez, é útil para construir chaves liga / desliga simples - transistores - que são a base da memória e dos dispositivos lógicos em computadores.

p Para 'ligar' um semicondutor, uma fonte de corrente ou luz é aplicada, excitar um elétron em um átomo para saltar do que é chamado de 'banda de valência, 'que é preenchido com elétrons, até a 'banda de condução, 'que é originalmente não preenchido ou apenas parcialmente preenchido com elétrons. Os elétrons que saltaram para a banda de condução graças a estímulos externos e os "buracos" restantes agora são capazes de se mover e agir como portadores de carga para o fluxo de corrente elétrica.

p O conceito físico que descreve as populações de elétrons na banda de condução e os buracos na banda de valência e a energia necessária para fazer esse salto é formulado em termos do chamado 'nível de Fermi'. Por exemplo, você precisa saber os níveis de Fermi dos elétrons e buracos para saber a quantidade de energia que vai obter de uma célula solar, incluindo perdas.

p Mas o conceito de nível de Fermi só é definido diretamente enquanto um dispositivo semicondutor está em equilíbrio - sentado em uma prateleira sem fazer nada - e o objetivo dos dispositivos semicondutores é não deixá-los na prateleira.

p Cerca de 70 anos atrás, William Shockley, o co-inventor vencedor do Prêmio Nobel do transistor no Bell Labs, surgiu com um pouco de um fudge teórico, o 'nível quase-Fermi, 'ou QFL, permitindo a previsão aproximada e a medição da interação entre os buracos da banda de valência e os elétrons da banda de condução, e isso tem funcionado muito bem até agora.

p "Mas quando você está trabalhando na escala de apenas alguns nanômetros, os métodos para calcular teoricamente ou medir experimentalmente a divisão de QFLs simplesmente não estavam disponíveis, "disse a professora Kim.

p Isso significa que, nesta escala, questões como erros relacionados à queda de tensão assumem uma importância muito maior.

p A equipe de Kim trabalhou por quase dez anos no desenvolvimento de uma nova descrição teórica do transporte de elétrons quânticos em nanoescala que pode substituir o método padrão - e o software que permite colocá-lo em uso. Isso envolveu o desenvolvimento de um pouco de matemática conhecido como Teoria do Funcional da Densidade, que simplifica as equações que descrevem as interações dos elétrons, e que tem sido muito útil em outros campos, como descoberta de materiais computacionais de alto rendimento.

p Pela primeira vez, eles foram capazes de calcular a divisão QFL, oferecendo uma nova compreensão da relação entre queda de tensão e transporte quântico de elétrons em dispositivos de escala atômica.

p Além de analisar vários fenômenos quânticos de não equilíbrio interessantes com sua nova metodologia, a equipe está agora desenvolvendo ainda mais seu software em uma ferramenta de projeto auxiliado por computador a ser usado por empresas de semicondutores para desenvolver e fabricar dispositivos semicondutores avançados.