Los transistores de silicio ya son muy buenos, pero como otros objetos del mundo físico, tienen algunas limitaciones. Las leyes de la física crean obstáculos en el rendimiento y la eficiencia energética. Ahora, un equipo de ingenieros del MIT puede haber encontrado una manera de superar estos límites de formas cuánticas salvajes utilizando un diseño de transistor radicalmente nuevo.
El problema que quieren resolver es la llamada "tiranía de Boltzmann". Se refiere al límite fundamental del voltaje requerido para conmutar un transistor de silicio a temperatura ambiente; Si el voltaje se ajusta demasiado bajo, el transistor pierde su capacidad de conmutar. Este límite de voltaje más bajo impide mejoras significativas en la eficiencia energética en la electrónica, lo que podría convertirse en un problema a medida que las aplicaciones de inteligencia artificial, consumidoras de energía, asuman más tareas de procesamiento.
El equipo de investigación del MIT creó transistores experimentales utilizando materiales semiconductores únicos como el antimonuro de galio y el arseniuro de indio en lugar del silicio tradicional. La investigación, financiada en parte por Intel Corporation, se publicó recientemente en Nature Electronics.
La verdadera magia, sin embargo, radica en su diminuto diseño tridimensional único, que fue diseñado utilizando herramientas de precisión en MIT.nano, una instalación dedicada a la investigación a nanoescala en el MIT. El transistor utiliza una heteroestructura de nanocables vertical con un diámetro de sólo 6 nanómetros, que los investigadores creen que es el transistor 3D más pequeño conocido hasta la fecha.
A esta escala, entran en juego algunos efectos cuánticos, que permiten a los transistores superar las limitaciones físicas del silicio. Los científicos diseñaron el transistor para lograr un túnel cuántico, donde los electrones esencialmente pasan a través de una barrera aislante en lugar de sobre ella, lo que permite que el transistor se active a un voltaje más bajo. Otro efecto es el confinamiento cuántico, donde las estrechas dimensiones de los nanocables cambian las propiedades del material.
Combinando estos efectos, el dispositivo del MIT logra algo que el silicio no puede: lograr tiempos de conmutación extremadamente rápidos utilizando voltajes extremadamente pequeños. Las pruebas han demostrado que su pendiente de tensión de conmutación es más pronunciada que la pendiente límite de los materiales de silicio convencionales. De hecho, su rendimiento actual es aproximadamente 20 veces mayor que el de otros transistores de túnel experimentales.
"Esta es una tecnología que tiene el potencial de reemplazar al silicio, por lo que se puede utilizar para realizar todas las funciones que el silicio realiza actualmente, pero con mucha más eficiencia energética", afirmó Yanjie Shao, becario postdoctoral y primer autor del proyecto.
Por supuesto, todavía queda un largo camino por recorrer desde la prueba del concepto hasta la comercialización, y el equipo lo reconoce.
"La física tradicional sólo puede llegar hasta cierto punto. El trabajo de Yan Jie muestra que podemos hacerlo mejor, pero tenemos que utilizar una física diferente". "Hay muchos desafíos que deben superarse para comercializar este método en el futuro, pero conceptualmente esto es realmente un gran avance", afirmó Jesús del Álamo, autor principal del artículo y del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática del MIT.
El equipo también señaló que necesitan mejorar el proceso de fabricación para que los transistores a nanoescala sean más uniformes en todo el chip.
Esta no es la primera vez que el MIT trabaja para superar los límites de la Ley de Moore. A principios de este año, los científicos del MIT demostraron un transistor que puede encenderse y apagarse en nanosegundos y tiene una durabilidad de hasta mil millones de ciclos.