Os transistores em nanoescala são necessários para circuitos digitais eficientes, e a polarização de cada dispositivo é crítica. Estas condições de polarização rigorosas podem ser relaxadas obtendo-se valores precisos das tensões limite do transistor. Isto leva a estados lógicos mais tolerantes ao ruído elétrico.



Para atender aos requisitos de consumo reduzido de energia, os transistores de efeito de campo (FETs) CMOS são fabricados de forma que operem no modo de aprimoramento (E), ou seja, não há portadores de carga livres no canal na tensão de porta zero. Por outro lado, os transistores do modo de depleção (D) têm correntes mais altas do que o modo de aprimoramento devido à ampla densidade de portadores de carga.

Em contraste com as aplicações de comutação do FET, para aplicações de alta frequência, o estado desligado do FET não é um requisito obrigatório. Na verdade, a presença de um canal na polarização zero da porta é vantajosa para obter alta transcondutância em tensões mais baixas. Para Si FETs, os modos de aprimoramento ou depleção foram determinados na etapa de fabricação da dopagem por implantação iônica. No entanto, é um desafio implementar esta solução para a nova geração de materiais finos, como semicondutores orgânicos e materiais 2D.

De acordo com uma nova pesquisa publicada na ACS Applied Electronic Materials , ao escolher uma função de trabalho específica para um metal de porta, as tensões limite dos FETs do tipo p podem ser alteradas de valores negativos para positivos, o que é uma comutação seletiva entre o modo de aprimoramento e o modo de exaustão de operação.

Os pesquisadores fabricaram experimentalmente os FETs com vários eletrodos metálicos de porta com diferentes funções de trabalho. A espessura dielétrica da alumina era de apenas 5 nm. Devido a esta curta separação entre o metal da porta e o canal semicondutor orgânico tipo p, houve interação eletrostática entre eles mesmo sem a aplicação de tensão externa. Quando metal com função de baixo trabalho como alumínio (4,4 eV) é usado, o FET opera em modo de aprimoramento.

Para metais de porta com função de alto trabalho, como ouro (5,0 eV), um certo número de buracos é induzido no canal na tensão de porta zero. Isso leva a uma boa quantidade de corrente, que é conhecida como operação em modo de esgotamento.

Para confirmar esta observação experimental, os pesquisadores realizaram simulações de dispositivos TCAD. As simulações produziram gráficos de contorno colorido de densidade de furo induzida. Esses tipos de correspondência de resultados experimentais e de simulação são muito importantes do ponto de vista tecnológico e da produção em larga escala.

O autor principal, Dr. Abhay Sagade do SRMIST, Índia, revelou que os efeitos observados são profundos para espessuras dielétricas finas, como aquelas inferiores a 10 nm. Para espessuras maiores, os FETs permanecem no modo de aprimoramento mesmo para metais de alta função de trabalho.

Este conceito pode ser facilmente extensível a qualquer material fino orgânico, inorgânico e 2D de nova geração. Usando este método, deve ser possível fabricar dispositivos e circuitos lógicos e osciladores digitais mais compactos, precisos e reconfiguráveis. Além disso, OFETs de modo D com correntes melhoradas podem ser utilizados eficientemente para aplicações de alta frequência.

Isto também tem imensas implicações para os próximos dispositivos quânticos e aplicações tecnológicas que utilizam dispositivos sensíveis de pequenas dimensões.

Mais informações: Abhay A. Sagade, Operação seletiva de modos de aprimoramento e esgotamento de transistores de efeito de campo em nanoescala, ACS Applied Electronic Materials (2024). DOI:10.1021/acsaelm.3c01825
Fornecido pelo Instituto SRM de Ciência e Tecnologia