Una versión simplificada de la Fig. 1. (a) del artículo de los investigadores. Leyenda:Cuando un campo eléctrico (E ⃗) incide en la interfaz (línea negra) entre dos materiales (regiones azul y verde) con valores de permitividad distintos (κ_1 y κ_2), se forma una carga unida a la superficie (σ_b) en esa interfaz. Crédito:Prentki et al.
En años recientes, físicos e ingenieros electrónicos han estado tratando de identificar materiales que podrían usarse para fabricar nuevos tipos de dispositivos electrónicos. Se ha encontrado que los materiales unidimensionales (1-D) y bidimensionales (2-D) tienen características particularmente ventajosas, particularmente para el desarrollo de nuevas generaciones de nanoelectrónica (componentes electrónicos a nanoescala).
Tales materiales 1-D y 2-D, como el grafeno, disulfuro de molibdeno monocapa, nanocables de silicio y nanohojas de silicio, también podría desempeñar un papel crucial dentro de la industria de los semiconductores, ya que podrían ayudar a desarrollar transistores cada vez más pequeños. Los transistores son los componentes básicos de muchos dispositivos electrónicos modernos, que puede almacenar y controlar bits de información binaria (es decir, ceros y unos).
A pesar de sus bien documentadas ventajas, Los materiales emergentes de baja dimensión pueden tener una cantidad relativamente pequeña de las llamadas cargas gratuitas en comparación con los materiales tridimensionales. En el contexto de los componentes electrónicos, una carga gratuita es un electrón o un hueco (es decir, falta de un electrón en una red atómica que actúa como un electrón cargado positivamente) que no está estrechamente unido a la red atómica y, por lo tanto, puede moverse libremente a través de un material en respuesta a campos externos y voltajes aplicados. Los cargos gratuitos tienen una serie de funciones importantes, una de las cuales es su contribución a lo que se conoce como efecto de cribado.
De hecho, las cargas gratuitas pueden redistribuirse para crear perfiles de potencial eléctrico definidos tanto en materiales como en dispositivos, incluso en transistores. Por lo tanto, cuanto mayor sea el número de cargas gratuitas que posee el material, cuanto más agudo es el potencial eléctrico resultante. Esta función particular es especialmente crucial para el desarrollo de transistores de efecto de campo de túnel, que dependen en gran medida del túnel cuántico de electrones a través de las uniones.
Investigadores de la Universidad McGill y NanoAcademic Technologies han identificado recientemente una estrategia que podría compensar la falta de cargos gratuitos observada en materiales 1-D y 2-D. En su papel publicado en Cartas de revisión física , propusieron el uso de esta estrategia, que se basa en la ingeniería de cargas consolidadas, para desarrollar transistores de nanocables de silicio.
Imagen de uno de los nanocables de silicio que Prentki simuló en su trabajo. Cada esfera representa un átomo de silicio, y cada barra representa un enlace atómico entre dos átomos de silicio vecinos. Crédito:Prentki et al.
"El transistor de efecto de campo de túnel tiene una disipación de potencia mucho menor que los transistores convencionales, lo que lo convierte en un candidato prometedor para la electrónica de bajo consumo, "Raphaël Prentki, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Para un transistor de efecto de campo de túnel con un potencial eléctrico más agudo en la unión de túnel, el cruce se vuelve más transitable, lo que lleva a un mejor rendimiento del dispositivo. Por lo tanto, nuestro objetivo era encontrar una manera de compensar la falta de cargas gratuitas en materiales de dimensiones reducidas ".
Hay dos tipos de cargas en los materiales, es decir, cargas gratuitas y consolidadas. Como sugiere su nombre, las cargas libres están débilmente unidas a los núcleos atómicos y pueden moverse libremente, lo que los hace fáciles de manipular con campos eléctricos y voltajes. A diferencia de, las cargas unidas están estrechamente unidas a los núcleos atómicos y solo pueden moverse dentro de los átomos. Si bien estos cargos se identificaron hace cientos de años, generalmente no se consideran ni se aplican al diseñar transistores u otros dispositivos electrónicos.
En su estudio, Prentki y sus colegas idearon un método para diseñar cargas vinculadas en dispositivos electrónicos de una manera ventajosa. Se refieren a esta estrategia de diseño como "ingeniería de carga limitada".
"Específicamente, usando las ecuaciones de Maxwell, se puede demostrar que cuando un campo eléctrico atraviesa la interfaz entre dos materiales, formularios de carga vinculados en esa interfaz, "Dijo Prentki." Además, la cantidad de carga ligada es proporcional a la magnitud del campo eléctrico, así como la diferencia entre las permitividades de los dos materiales. La permitividad es una propiedad del material que cuantifica cuánto se polariza un material en respuesta a un campo eléctrico externo ".
Prentki y sus colegas demostraron que las cargas ligadas a la superficie en la interfaz entre dos regiones de un dispositivo electrónico se pueden controlar ajustando el campo eléctrico y eligiendo materiales con valores de permitividad adecuados. Para crear mejores transistores de efecto de campo de túnel, los investigadores proponen rodear parte de la unión del túnel con un óxido de baja permitividad, ya que esto permite la formación de carga ligada. En su papel consideraron esta estrategia para fabricar un transistor hecho de nanoalambre de silicio.
Imagen de uno de los nanocables de silicio que Prentki simuló en su trabajo. Cada esfera representa un átomo de silicio, y cada barra representa un enlace atómico entre dos átomos de silicio vecinos. Crédito:Prentki et al.
En los diseños de transistores de última generación existentes, el nanoalambre de silicio está rodeado por un óxido de alta permitividad, como el dióxido de hafnio, lo que permite una alta capacitancia de puerta. Prentki y sus colegas, por otra parte, proponer la idea de rodear la región del nanoalambre cerca de la unión de túnel usando dióxido de silicio, un aislante con un valor de permitividad que es solo 3.8 veces mayor que la permitividad del aire.
"En nuestro diseño, la carga unida en la interfaz nanoalambre-óxido complementa las cargas libres en el efecto de apantallamiento, resultando en una unión de túnel más nítida, ", Dijo Prentki." Esto da como resultado un transistor de efecto de campo de túnel asistido por carga ligada con una corriente en estado 10 veces mayor que los transistores asistidos por carga no ligada, lo que podría permitir su aplicación práctica en dispositivos informáticos a frecuencias de reloj más altas ".
Prentki y sus colegas demostraron que la ingeniería de carga ligada se puede utilizar para controlar el tamaño de las regiones de agotamiento en la unión entre dos regiones de transistores de efecto de campo. Esto es particularmente cierto para el lugar donde la "fuente" y el "canal, "o" canal "y" drenaje "regiones de un transistor de efecto de campo se encuentran. En otras palabras, Las cargas vinculadas se pueden utilizar para respaldar las cargas gratuitas al permitir un efecto de apantallamiento más fuerte en los transistores.
"Nuestro trabajo introduce un método general para diseñar cargas vinculadas para nuestra ventaja en materiales y dispositivos, ", Dijo Prentki." Esto es especialmente útil en materiales emergentes unidimensionales y bidimensionales. Por ejemplo, La ingeniería de carga ligada ofrece un aumento significativo del rendimiento en los transistores de efecto de campo de túnel de nanocables de silicio ".
En su artículo reciente, los investigadores demostraron que su estrategia para controlar el tamaño de las regiones de agotamiento se puede utilizar para mejorar el rendimiento de un tipo específico de transistor de efecto de campo de baja potencia, a saber, un transistor de efecto de campo de túnel. En sus próximos estudios, probarán experimentalmente la viabilidad de su estrategia, usándolo para realizar un transistor de efecto de campo de túnel real.
Imagen de uno de los nanocables de silicio que Prentki simuló en su trabajo. Cada esfera representa un átomo de silicio, y cada barra representa un enlace atómico entre dos átomos de silicio vecinos. Crédito:Prentki et al.
"Nuestra investigación se basó puramente en simulaciones, ", Explicó Prentki." Aunque utilizamos un método de simulación de última generación, solo un sólido, La realización del dispositivo en el mundo real puede probar más allá de toda duda que el concepto de ingeniería de carga limitada realmente funciona ".
Además de demostrar la viabilidad de la ingeniería de carga ligada para crear transistores de efecto de campo de túnel de mejor rendimiento utilizando nanocables, ahora a los investigadores les gustaría aplicar su estrategia a otras áreas de la nanoelectrónica. Por ejemplo, les gustaría probar su eficacia para reducir la escala de tipos específicos de transistores.
"La ingeniería de carga ligada es una idea muy general establecida por las leyes básicas del electromagnetismo, "Añadió Prentki." Por lo tanto, en principio, no se limita a aplicaciones en los campos de la nanoelectrónica y el diseño de transistores. Por lo tanto, También nos gustaría aplicar este concepto a otros campos de investigación donde la carga limitada y la detección pueden ser importantes. como la electrónica molecular, electroquímica y fotosíntesis artificial ".
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