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Um mês depois de anunciar um semicondutor ferroelétrico na espessura nanométrica necessária para componentes de computação modernos, uma equipe da Universidade de Michigan demonstrou um transistor reconfigurável usando esse material.
O estudo é um artigo de destaque na Letras de Física Aplicada.
“Ao realizar este novo tipo de transistor, ele abre a possibilidade de integrar dispositivos multifuncionais, como transistores reconfiguráveis, filtros e ressonadores, na mesma plataforma – tudo enquanto opera em alta frequência e alta potência”, disse Zetian Mi, UM professor de engenharia elétrica e de computação que liderou a pesquisa, “Isso é uma virada de jogo para muitas aplicações.”
Em seu nível mais básico, um transistor é uma espécie de interruptor, deixando passar uma corrente elétrica ou impedindo-a de passar. O demonstrado em Michigan é conhecido como um transistor ferroelétrico de alta mobilidade de elétrons (FeHEMT) – uma reviravolta nos HEMTs que pode aumentar o sinal, conhecido como ganho, além de oferecer alta velocidade de comutação e baixo ruído. Isso os torna adequados como amplificadores para enviar sinais para torres de celular e roteadores Wi-Fi em altas velocidades.
Os semicondutores ferroelétricos se destacam dos demais porque podem sustentar uma polarização elétrica, como a versão elétrica do magnetismo. Mas, ao contrário de um imã de geladeira, eles podem alternar qual extremidade é positiva e qual é negativa. No contexto de um transistor, esta capacidade acrescenta flexibilidade – o transistor pode mudar a forma como se comporta.
“Podemos tornar nosso HEMT ferroelétrico reconfigurável”, disse Ding Wang, cientista pesquisador em engenharia elétrica e de computação e primeiro autor do estudo. “Isso significa que ele pode funcionar como vários dispositivos, como um amplificador funcionando como vários amplificadores que podemos controlar dinamicamente. Isso nos permite reduzir a área do circuito e diminuir o custo, bem como o consumo de energia.”
Áreas de interesse particular para este dispositivo são frequência de rádio reconfigurável e comunicação de micro-ondas, bem como dispositivos de memória em sistemas eletrônicos e de computação de última geração.
“Ao adicionar ferroeletricidade a um HEMT, podemos tornar a comutação mais nítida. Isso pode permitir um consumo de energia muito menor, além de alto ganho, tornando os dispositivos muito mais eficientes”, disse Ping Wang, cientista pesquisador em engenharia elétrica e de computação e também o co-autor correspondente da pesquisa.
O semicondutor ferroelétrico é feito de nitreto de alumínio enriquecido com escândio, um metal às vezes usado para fortalecer o alumínio em bicicletas de alto desempenho e caças. É o primeiro semicondutor ferroelétrico à base de nitreto, permitindo que seja integrado ao nitreto de gálio semicondutor de última geração. Oferecendo velocidades até 100 vezes maiores do que o silício, bem como alta eficiência e baixo custo, os semicondutores de nitreto de gálio são concorrentes para substituir o silício como o material preferido para dispositivos eletrônicos.
“Este é um passo fundamental para integrar ferroelétricos de nitreto com eletrônicos convencionais”, disse Mi.
O novo transistor foi desenvolvido usando epitaxia de feixe molecular, a mesma abordagem usada para fazer cristais semicondutores que acionam os lasers em tocadores de CD e DVD.
A Universidade de Michigan solicitou proteção de patente. Os primeiros trabalhos que levaram a este estudo foram financiados pelo Office of Naval Research e pela Blue Sky Initiative no UM College of Engineering.
O dispositivo foi construído na Lurie Nanofabrication Facility e estudado no Michigan Center for Materials Characterization.
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