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El nanodispositivo destinado a reemplazar el transistor de efecto de campo
El transistor de efecto de campo es el caballo de batalla de la industria de la electrónica de consumo. Esculpidos en microchips por miles de millones, estos dispositivos funcionan, más o menos desapercibidos, en prácticamente todos los hogares, oficinas y laboratorios del mundo desarrollado.
Y, sin embargo, existe un problema perenne con los transistores de efecto de campo que mantiene despiertos a los diseñadores de chips: cómo hacerlos cada vez más pequeños y, por lo tanto, mantener el ritmo implacable de la Ley de Moore.
Los transistores de efecto de campo ya son tan pequeños que hacerlos más pequeños conduce a una multitud de desafíos que no son fáciles de resolver. Los componentes de los transistores de efecto de campo de última generación de hoy en día tienen solo unos pocos nanómetros de longitud, es decir, solo unas pocas capas de silicio atómico.
Estas capas de silicio tienen que estar dopadas con otros átomos; solo un puñado hará el truco en componentes tan pequeños. Y ahí radica el problema. Incluso una pequeña variación aleatoria en el número de átomos dopantes en los componentes semiconductores puede tener un gran efecto en el comportamiento del transistor. No está nada claro cómo controlar estas variaciones durante la fabricación. Luego está el problema físico de hacer un dispositivo con tres terminales aún más pequeño.
Por lo tanto, a los diseñadores de chips les encantaría tener otro dispositivo en el que puedan confiar para construir chips que estén más densamente empaquetados con componentes cada vez más pequeños.
Hoy, Jason Marmon de la Universidad de Carolina del Norte en Charlotte y algunos amigos presentan un dispositivo de este tipo en forma de transistor de efecto de luz. Este es esencialmente un cable que conduce cuando está bañado en luz y aísla cuando está oscuro. En otras palabras, es un interruptor modulado por la luz. El equipo dice que su nuevo dispositivo es más simple que un transistor de efecto de campo y no depende de átomos dopantes, por lo que puede hacerse más pequeño y, por lo tanto, continuar con la ley de Moore.
Primero, algunos antecedentes. Un transistor de efecto de campo es un dispositivo con tres terminales: una fuente, un drenaje y una puerta. La cantidad de corriente que fluye entre la fuente y el drenaje está determinada por el voltaje aplicado a la puerta. Esto enciende o apaga la corriente.
Un transistor de efecto de luz funciona de una manera completamente diferente. Es simplemente un nanocable a través del cual la corriente puede fluir dependiendo de la cantidad de luz que lo incida. En otras palabras, es posible utilizar la luz para encender o apagar la corriente.
No hay nada particularmente nuevo o especial en este efecto fotoconductor. Ocurre cuando la absorción de luz aumenta el número de electrones y huecos en un semiconductor, aumentando así su conductividad.
Sin embargo, los materiales fotoconductores nunca han sido adecuados como transistores porque el efecto funciona solo cerca de la superficie del material y no se extiende por todo su volumen. Entonces no hacen interruptores confiables.
Pero eso cambia cuando un material fotoconductor tiene solo unas pocas capas atómicas de espesor. En ese caso, el efecto fotoconductor se produce en todo el material, haciéndolo mucho más robusto como interruptor.
El trabajo de Marmon y compañía consiste en caracterizar el comportamiento de nanocables semiconductores hechos de cadmio y selenio. Y dicen que estos cables demuestran algunos comportamientos útiles y únicos.
Para empezar, los cables funcionan bien como interruptores que, según algunas medidas, se comparan bien con los transistores de efecto de campo. Por ejemplo, permiten que fluya un millón de veces más corriente cuando están encendidos en comparación con cuando están apagados cuando funcionan a un voltaje de aproximadamente 1,5 V. [Un transistor de efecto de luz] puede replicar la función de conmutación básica del transistor de efecto de campo moderno con competidores (y características potencialmente mejoradas), dicen Marmon y compañía.
Pero los cables también tienen capacidades completamente nuevas. El dispositivo funciona como un amplificador óptico y también puede realizar operaciones lógicas básicas utilizando dos o más rayos láser en lugar de uno. Eso es algo que un solo transistor de efecto de campo no puede hacer.
Y la gran ventaja es que debido a que el efecto fotoconductor no requiere átomos dopantes, no es susceptible a los problemas de variación aleatoria que afectan a los transistores de efecto de campo. Los nanocables también son más simples que los transistores de efecto de campo, por lo que son potencialmente más baratos y fáciles de fabricar.
Por supuesto, hay muchos obstáculos por delante antes de que estos dispositivos puedan integrarse en chips integrados o incluso fabricarse a escala industrial. Los ingenieros electrónicos querrán comprender mejor las características del dispositivo en una gama más amplia de condiciones, en particular con respecto a la velocidad de conmutación. También querrán saber cómo les va con las modernas técnicas de fabricación de producción en masa.
Luego está la cuestión de la arquitectura del chip: ¿cómo abordar con precisión unos mil millones de nanocables con luz y cómo afecta esto al consumo de energía?
Sin embargo, los transistores de efectos de luz ofrecen una gama de posibilidades fascinantes, en particular con respecto a las operaciones de lógica óptica. Será interesante ver a dónde toman esto los investigadores a continuación.
Ref: arxiv.org/abs/1601.04748 : Transistor de efecto de luz (LET) con múltiples controles de activación independientes para puertas lógicas ópticas y amplificación óptica