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(Foco Nanowerk) Los dispositivos electrónicos de nueva generación requieren nanotransistores avanzados que requieren una polarización precisa de cada dispositivo. Estas estrictas condiciones de polarización se pueden relajar determinando valores precisos de los voltajes umbral del transistor. Esto también mejora la tolerancia de los estados lógicos digitales al ruido eléctrico. Los requisitos de consumo de energía reducido se logran en los transistores de efecto de campo (FET) CMOS fabricándolos y operándolos en modo de mejora (E), es decir, sin portadores de carga libres en el canal a un voltaje de puerta de cero.
Para aclarar, en el contexto de los transistores de efecto de campo, el modo de mejora (modo E) se refiere al estado en el que el dispositivo requiere un cierto voltaje de puerta para inducir un canal conductor entre los terminales de fuente y drenaje. Por el contrario, los FET en modo de agotamiento (modo D) tienen inherentemente un canal conductor con un voltaje de puerta cero, por lo que se requiere un voltaje de puerta de polaridad opuesta para «agotar» o apagar el canal. Esta diferencia fundamental juega un papel crucial en el diseño de dispositivos para aplicaciones específicas, afectando su consumo de energía, velocidad y funcionalidad general.
Por otro lado, los transistores en modo de agotamiento (D) tienen corrientes más altas que en el modo de mejora debido a la alta densidad de portadoras. A diferencia de la aplicación de conmutación de FET, el estado apagado del FET no es obligatorio para aplicaciones de alta frecuencia. De hecho, tener un canal con polarización de puerta cero es beneficioso para lograr una alta transconductancia a voltajes más bajos. Para los FET de Si, los modos de enriquecimiento o agotamiento se determinaron en el paso de fabricación de dopaje por implantación de iones. Sin embargo, implementar esta solución para la nueva generación de materiales delgados, como los semiconductores orgánicos y los materiales 2D, resulta un desafío.
Según un nuevo estudio publicado en el Journal of Materiales electrónicos aplicados ACS (“Operación selectiva de modos de mejora y agotamiento de transistores de efecto de campo a nanoescala”): Al seleccionar una función de trabajo específica para una puerta metálica, los voltajes umbral de los FET tipo p se pueden cambiar de valores negativos a positivos, lo que permite una conmutación selectiva. entre Esto permite que el modo de expansión se convierta en el modo de agotamiento del proceso.
![Imagen de perfilador óptico 3D de un FET](https://www.nanowerk.com/spotlight/id64864_1.jpg)
Los investigadores fabricaron los FET de forma experimental utilizando diferentes electrodos metálicos de puerta con diferentes funciones de trabajo. El espesor de la alúmina dieléctrica era de sólo 5 nm. Debido a esta corta distancia entre el metal de la puerta y el canal semiconductor orgánico tipo P, se produce una interacción electrostática entre ellos incluso sin aplicar un voltaje externo. Cuando se utiliza un metal con función de trabajo baja, como el aluminio (4,4 eV), el FET funciona en modo E. Para metales de compuerta con funciones de trabajo elevadas, como el oro (5,0 eV), se induce una cierta cantidad de agujeros en el canal cuando el voltaje de la compuerta es cero. Esto da como resultado una buena cantidad de corriente en el canal, lo que se denomina operación en modo D.
Como complemento a sus innovadores esfuerzos experimentales, el equipo de investigación empleó simulaciones avanzadas de dispositivos TCAD, que fueron fundamentales para validar sus resultados. Estas simulaciones, que produjeron gráficos de contorno en color de la densidad de orificios inducidos, proporcionaron una verificación tanto visual como teórica de la influencia de las funciones metálicas de la puerta en los modos de funcionamiento de los FET. Este enfoque integral, que combina datos experimentales con conocimientos de simulación, no solo aumenta la credibilidad de la investigación, sino que también resalta su importancia para el avance tecnológico y el potencial de ampliación de la fabricación.
El autor principal Dr. Abhay Sagade de SRMIST, India, reveló que los efectos observados son profundos en espesores dieléctricos delgados de menos de 10 nm. «En espesores mayores, los FET permanecen en modo de mejora incluso con metales de puerta con alta función de trabajo», señala. «Este concepto se puede ampliar fácilmente a todos los materiales finos orgánicos, inorgánicos y 2D de nueva generación».
Un aspecto importante de este estudio es centrarse en el espesor de la capa dieléctrica utilizada en los FET. Los investigadores descubrieron que los efectos observados (cambio entre los modos de enriquecimiento y agotamiento) eran pronunciados para los dieléctricos delgados, particularmente aquellos con un espesor de menos de 10 nm. Este resultado resalta el papel crítico del espesor dieléctrico a la hora de influir en el comportamiento del FET y resalta la necesidad para un control preciso de las propiedades del material para lograr el rendimiento deseado del dispositivo.
Este método debería permitir producir dispositivos y circuitos osciladores y lógicos digitales más compactos, precisos y reconfigurables. Además, los OFET en modo D con corrientes mejoradas se pueden utilizar de manera eficiente para aplicaciones de alta frecuencia. Esto también tiene inmensas implicaciones para los próximos dispositivos cuánticos y aplicaciones tecnológicas que utilizan dispositivos sensibles de pequeñas dimensiones.
Más allá de los beneficios inmediatos para los dispositivos osciladores y de lógica digital, la capacidad de cambiar selectivamente entre modos operativos es prometedora para aplicaciones de alta frecuencia y podría revolucionar el diseño de dispositivos cuánticos de próxima generación. La versatilidad de este método allana el camino para componentes electrónicos innovadores que no solo son más eficientes y compactos, sino también altamente reconfigurables y satisfacen los diversos requisitos de los panoramas tecnológicos modernos.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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