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Os transistores que podem alterar as propriedades são elementos importantes no desenvolvimento dos semicondutores de amanhã. Com os transistores padrão se aproximando do limite de quão pequenos eles podem ser, ter mais funções no mesmo número de unidades torna-se cada vez mais importante para permitir o desenvolvimento de circuitos pequenos e com baixo consumo de energia para memória aprimorada e computadores mais poderosos. Pesquisadores da Universidade de Lund, na Suécia, mostraram como criar novos transistores configuráveis e exercer controle em um nível novo e mais preciso.
Tendo em vista a necessidade cada vez maior de circuitos melhores, mais potentes e eficientes, há um grande interesse em transistores reconfiguráveis. A vantagem deles é que, ao contrário dos semicondutores padrão, é possível alterar as propriedades do transistor após sua fabricação.
Historicamente, o poder e a eficiência computacional dos computadores foram aprimorados pela redução do tamanho do transistor de silício (também conhecido como Lei de Moore). Mas agora foi alcançado um estágio em que os custos para o desenvolvimento contínuo ao longo dessas linhas se tornaram muito mais altos, e surgiram problemas de mecânica quântica que retardaram o desenvolvimento.
Em vez disso, a busca por novos materiais, componentes e circuitos. A Lund University está entre os líderes mundiais em materiais III-V, que são uma alternativa ao silício. São materiais com grande potencial no desenvolvimento de tecnologia de alta frequência (como peças para futuras redes 6G e 7G), aplicações óticas e componentes eletrônicos cada vez mais eficientes energeticamente.
Materiais ferroelétricos são usados para realizar esse potencial. Estes são materiais especiais que podem mudar sua polarização interna quando expostos a um campo elétrico. Pode ser comparado a um ímã comum, mas em vez de um pólo magnético norte e sul, são formados pólos elétricos com uma carga positiva e uma negativa em cada lado do material. Ao alterar a polarização, é possível controlar o transistor. Outra vantagem é que o material “lembra” sua polarização, mesmo que a corrente seja desligada.
Por meio de uma nova combinação de materiais, os pesquisadores criaram “grãos” ferroelétricos que controlam uma junção de túnel – um efeito de ponte elétrica – no transistor. Isso ocorre em uma escala extremamente pequena – um grão tem 10 nanômetros de tamanho. Ao medir flutuações na tensão ou corrente, foi possível identificar quando a polarização muda nos grãos individuais e, assim, entender como isso afeta o comportamento do transistor.
A pesquisa recém-publicada examinou a nova memória ferroelétrica na forma de transistores com barreiras de túnel para criar novas arquiteturas de circuito.
“O objetivo é criar circuitos neuromórficos, ou seja, circuitos adaptados para inteligência artificial na medida em que sua estrutura é semelhante ao cérebro humano com suas sinapses e neurônios”, diz Anton Eriksson, que concluiu recentemente seu doutorado em nanoeletrônica.
O que há de especial nos novos resultados é que foi possível criar junções de túnel usando grãos ferroelétricos localizados diretamente adjacentes à junção. Esses nanogrãos podem então ser controlados individualmente, quando antes só era possível acompanhar grupos inteiros de grãos, conhecidos como ensembles. Desta forma, é possível identificar e controlar partes separadas do material.
“Para criar aplicações avançadas, você deve primeiro entender a dinâmica em grãos individuais até o nível atômico, bem como os defeitos existentes. O aumento da compreensão do material pode ser usado para otimizar as funções. Ao controlar esses grãos ferroelétricos , você pode criar novos semicondutores nos quais pode alterar as propriedades. Ao alterar a voltagem, você pode produzir funções diferentes em um único e mesmo componente “, diz Lars-Erik Wernersson, professor de nanoeletrônica.
Os pesquisadores também examinaram como esse conhecimento pode ser usado para criar diferentes aplicativos reconfiguráveis, manipulando de várias maneiras o sinal que passa pelo transistor. Poderia, por exemplo, ser usado para novas células de memória ou transistores mais eficientes em termos de energia.
Este novo tipo de transistor é chamado de ferro-TFET e pode ser usado tanto em circuitos digitais quanto analógicos.
“O interessante é que é possível modular o sinal de entrada de várias maneiras, por exemplo, pela mudança de fase do transistor, duplicação de frequência e mixagem de sinal. Como o transistor lembra suas propriedades, mesmo quando a corrente é desligada, não há necessidade para reiniciá-lo toda vez que o circuito for usado”, diz Zhongyunshen Zho, aluno de doutorado em nanoeletrônica.
Outra vantagem desses transistores é que eles podem funcionar em baixa tensão. Isso os torna energeticamente eficientes, o que será necessário, por exemplo, na comunicação sem fio de amanhã, na Internet das Coisas e nos computadores quânticos.
“Considero que esta é uma pesquisa de ponta de nível internacional. É bom que em Lund e na Suécia estejamos na vanguarda em relação a semicondutores, especialmente em vista da Lei de Chips recentemente promulgada pela UE, que visa fortalecer a posição da Europa em relação a semicondutores”, disse. diz Lars-Erik Wernersson.
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