Las empresas de semiconductores están luchando por desarrollar dispositivos que tengan un tamaño de nanómetros, y gran parte del desafío radica en poder describir con mayor precisión la física subyacente a esa nanoescala. Pero un nuevo enfoque computacional que se ha estado trabajando durante una década podría romper estas barreras.

Dispositivos que utilizan semiconductores, desde ordenadores hasta células solares, han disfrutado de enormes mejoras de eficiencia en las últimas décadas. Famosamente, uno de los cofundadores de Intel, Gordon Moore, observó que el número de transistores en un circuito integrado se duplica aproximadamente cada dos años, y esta "ley de Moore" se mantuvo cierta durante algún tiempo.

En años recientes, sin embargo, tales ganancias se han ralentizado a medida que las empresas que intentan diseñar transistores a nanoescala alcanzan los límites de la miniaturización a nivel atómico.

Investigadores de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de KAIST han desarrollado un nuevo enfoque de la física subyacente de los semiconductores.

"Con los sistemas cuánticos abiertos como el principal objetivo de investigación de nuestro laboratorio, estábamos revisando conceptos que se habían dado por sentado e incluso aparecen en los libros de texto de física de semiconductores estándar, como la caída de voltaje en los dispositivos semiconductores en funcionamiento, ", dijo el investigador principal, el profesor Yong-Hoon Kim." Al cuestionar cómo todos estos conceptos podrían entenderse y posiblemente revisarse a nanoescala, estaba claro que había algo incompleto en nuestro conocimiento actual ".

"Y a medida que los chips semiconductores se reducen al nivel atómico, idear una teoría mejor para describir los dispositivos semiconductores se ha convertido en una tarea urgente ".

El entendimiento actual establece que los semiconductores son materiales que actúan como casas intermedias entre conductores, como el cobre o el acero, y aislantes, como goma o espuma de poliestireno. A veces conducen electricidad, pero no siempre. Esto los convierte en un gran material para controlar intencionalmente el flujo de corriente, lo que a su vez es útil para construir los simples interruptores de encendido / apagado (transistores) que son la base de la memoria y los dispositivos lógicos en las computadoras.

Para 'encender' un semiconductor, se aplica una fuente de luz o corriente, excitar un electrón en un átomo para saltar de lo que se llama una 'banda de valencia, 'que está lleno de electrones, hasta la 'banda de conducción, 'que originalmente está vacío o solo parcialmente lleno de electrones. Los electrones que han saltado a la banda de conducción gracias a los estímulos externos y los 'agujeros' restantes ahora pueden moverse y actuar como portadores de carga para hacer fluir la corriente eléctrica.

El concepto físico que describe las poblaciones de electrones en la banda de conducción y los huecos en la banda de valencia y la energía requerida para realizar este salto se formula en términos del llamado 'nivel de Fermi'. Por ejemplo, necesita conocer los niveles de Fermi de los electrones y huecos para saber qué cantidad de energía va a obtener de una célula solar, incluidas las pérdidas.

Pero el concepto de nivel de Fermi solo se define de manera directa siempre que un dispositivo semiconductor esté en equilibrio (sentado en un estante sin hacer nada) y el objetivo de los dispositivos semiconductores no es dejarlos en el estante.

Hace unos 70 años, William Shockley, el co-inventor del transistor ganador del Premio Nobel en los Laboratorios Bell, se le ocurrió un poco de un dulce teórico, el 'nivel cuasi-Fermi, 'o QFL, permitiendo la predicción aproximada y la medición de la interacción entre los huecos de la banda de valencia y los electrones de la banda de conducción, y esto ha funcionado bastante bien hasta ahora.

"Pero cuando se trabaja a una escala de unos pocos nanómetros, los métodos para calcular teóricamente o medir experimentalmente la división de QFL simplemente no estaban disponibles, "dijo el profesor Kim.

Esto significa que a esta escala, cuestiones como los errores relacionados con la caída de tensión adquieren una importancia mucho mayor.

El equipo de Kim trabajó durante casi diez años en el desarrollo de una descripción teórica novedosa del transporte de electrones cuánticos a nanoescala que puede reemplazar el método estándar y el software que les permite ponerlo en uso. Esto implicó el desarrollo adicional de un poco de matemática conocida como la teoría funcional de la densidad que simplifica las ecuaciones que describen las interacciones de los electrones, y que ha sido muy útil en otros campos como el descubrimiento de materiales computacionales de alto rendimiento.

Por primera vez, pudieron calcular la división QFL, ofreciendo una nueva comprensión de la relación entre la caída de voltaje y el transporte cuántico de electrones en dispositivos a escala atómica.

Además de examinar varios fenómenos cuánticos interesantes que no están en equilibrio con su novedosa metodología, El equipo ahora está desarrollando su software en una herramienta de diseño asistida por computadora para ser utilizada por las empresas de semiconductores para desarrollar y fabricar dispositivos semiconductores avanzados.