Transistores los componentes básicos de los dispositivos modernos, actúan como interruptores electrónicos que controlan el flujo de corriente a través de los circuitos. En las últimas decádas, han encogido más de 1000 veces su tamaño, haciendo que dispositivos como computadoras portátiles y teléfonos inteligentes sean más rápidos y compactos.

A medida que se hacen más pequeños sin embargo, también consumen y desperdician más energía. El tipo más común de transistores llamados MOSFET no puede cambiar abruptamente de encendido a apagado, y, por lo tanto, fuga de corriente incluso después de apagar el dispositivo; cuanto más pequeños son, más energía desperdician. Se espera que las alternativas recientes llamadas FET de túnel desperdicien mucha menos energía, pero son más adecuadas para dispositivos de bajo rendimiento como relojes o computadoras portátiles.

Por primera vez, Los científicos del Instituto Indio de Ciencias (IISc) han combinado estos dos tipos diferentes de transistores en un solo dispositivo que puede cambiar fácilmente entre los modos de alto rendimiento y de eficiencia energética. dependiendo de la necesidad. El dispositivo tiene un tipo especial de unión metal-semiconductor que se puede modificar para que se comporte como un MOSFET o un túnel FET.

"Tienes flexibilidad, "dice Shubhadeep Bhattacharjee, Doctor. estudiante del Centro de Nanociencia e Ingeniería, IISc y primer autor del artículo publicado en Letras de física aplicada . "Con el mismo dispositivo, puede tener un alto rendimiento que comprometa la potencia, o un rendimiento óptimo, operación de baja potencia. Piense en ello como si usara el mismo automóvil que un Tata Nano o un Mercedes Benz ".

Los primeros transistores eran del tamaño de la palma de la mano, pero hoy son varios miles de veces más pequeños que el ancho de un cabello humano. "Lo bueno de esta miniaturización es que ahora podemos incluir más funciones en un área pequeña, "dice el autor principal Navakanta Bhat, Silla, Centro de Nano Ciencia e Ingeniería, IISc. Es por eso que los teléfonos inteligentes pueden hacer más hoy de lo que eran capaces de hacer muchas computadoras anteriores.

Transistores como los MOSFET convencionales, utilizado en casi todos los dispositivos electrónicos de hoy, normalmente funcionan como compuertas en una presa. Tienen una fuente un drenaje, y una puerta que controla el flujo de electrones entre los dos. Cuando la puerta está en la posición de APAGADO, Existe una gran barrera de energía entre la fuente y el drenaje que evita que los electrones se crucen. Cuando se aplica un voltaje, la puerta está encendida, se reduce la altura de la barrera, y los electrones pueden saltar sobre él. Cuanto menor sea la tensión de alimentación necesaria para encender el transistor, cuanto más eficiente sea el dispositivo.

Sin embargo, los científicos no han podido reducir el voltaje de suministro de los MOSFET proporcionalmente al tamaño del transistor, debido a un defecto de diseño fundamental. Un factor llamado oscilación de subumbral, que determina el voltaje de puerta mínimo requerido para que el transistor cambie de encendido a apagado, restringe el voltaje de suministro a un cierto límite inferior de aproximadamente 1 voltio. Esto significa que la máxima eficiencia que pueden lograr los MOSFET estará severamente limitada, no importa el tamaño que tengan. "Esta es una limitación fundamental impuesta por la física, dado que el número de electrones capaces de saltar la barrera se rige por las estadísticas de Boltzmann, "dice Bhat.

Para superar esta limitación, Los científicos han intentado usar transistores llamados FET de túnel, dónde, en vez de altura , los ancho de la barrera de electrones esta reducido hasta un punto en el que los electrones pueden "hacer un túnel" a través de la barrera en lugar de saltar sobre ella. Los FET de túnel pueden operar con voltajes de suministro más bajos y son mucho más eficientes. Pero también tienen una desventaja:la salida deseada, la corriente que fluye cuando el transistor está encendido, se reduce considerablemente.

En este estudio, por primera vez, los investigadores diseñaron un dispositivo híbrido capaz de cambiar entre los modos MOSFET y túnel FET utilizando dos puertas en lugar de una, y un tipo especial de barrera de electrones llamada unión de Schottky. La barrera de Schottky se crea cuando un metal y un semiconductor se unen en determinadas condiciones. Los investigadores utilizaron procesos de diseño específicos para crear una unión Schottky donde la altura y el ancho de la barrera se pueden ajustar de forma independiente. Se utilizó un tratamiento con azufre para permitir esta ingeniería de contacto. Además, el material de la puerta se depositó mediante evaporación por haz de electrones, en lugar del método de deposición de capa atómica convencional.

El dispositivo de doble puerta pudo operar a un voltaje más bajo que el posible con los MOSFET convencionales, reduciendo en gran medida el consumo de energía. Esto permitiría la reducción de la tensión de funcionamiento a menos de medio voltio. También mostró un rendimiento superior en comparación con los FET de túnel de última generación.

El nuevo diseño compuesto ofrece mucha más flexibilidad en la función del transistor de lo que era posible anteriormente, y puede mejorar significativamente la eficiencia de los dispositivos electrónicos, dicen los autores.