Dispositivos Quânticos: Além do CMOS — Aproveitando Tunelamento, Pontos Quânticos e Spintrônica para Eletrônica Futura

Desde os anos 1960, a tecnologia CMOS seguiu uma trajetória de escalonamento previsível: comprimentos de gate encolheram da escala de mícron para nós de 65 nm agora em produção, com transistores de 45 nm esperados para 2007. A 65 nm, correntes de vazamento impulsionadas por tunelamento quântico começam a dominar, e a 45 nm, engenharia sofisticada é requerida para suprimir esse vazamento. O limite de escalonamento convencional para transistores MOS é projetado entre 20 e 30 nm, com alguns especialistas citando 1 a 2 nm como a fronteira física final. A fotolitografia continuará a melhorar, ainda dispositivos sub-20 nm demandam novas estruturas ativas que explorem, em vez de combater, efeitos quântico-mecânicos.

Quando geometrias MOS se aproximam do comprimento de onda de de Broglie do elétron, tunelamento através do óxido de gate e do canal estreito torna-se significativo. Esse vazamento quântico força a indústria a explorar dispositivos que alavancam tunelamento para desempenho e eficiência energética. Candidatos-chave incluem diodos de tunelamento ressonante (RTDs), transistores de tunelamento de dupla camada (Deltt), diodos metal-isolante-isolante-metal (MIIM), transistores de ponto quântico e dispositivos baseados em grafeno. Eletrônica baseada em spin (spintrônica) também oferece alternativa não dissipativa à lógica controlada por carga.

Tunelamento Quântico

Tunelamento quântico: Um elétron se comporta como uma onda que pode passar através de uma barreira isolante mais fina que seu comprimento de onda, permitindo probabilidade de transmissão mesmo quando a física clássica prevê reflexão.

Clássicamente, um elétron deve possuir energia suficiente para superar uma barreira; caso contrário reflete. A mecânica quântica permite probabilidade não-zero de encontrar o elétron no lado oposto de uma barreira suficientemente fina. A probabilidade de tunelamento aumenta drasticamente à medida que a espessura da barreira diminui.

Diodo de Tunelamento

Diodo de tunelamento: O diodo de tunelamento Esaki é um dispositivo quântico inicial que depende de uma região de depleção fortemente dopada — cerca de 1.000 vezes o nível de dopagem de um retificador padrão — tornando a barreira fina o suficiente para tunelamento quando apropriadamente polarizado.

Diodo de Tunelamento Ressonante (RTD)

RTD: Um RTD é um dispositivo quântico apresentando duas barreiras de tunelamento separadas por um poço quântico. Elétrons atravessam o dispositivo quando a energia da fonte alinha com um nível quantizado no poço, condição conhecida como ressonância. A corrente sobe conforme o viés se aproxima da ressonância, então cai quando as energias se desalinham novamente, permitindo comportamento natural liga/desliga que pode substituir pares de transistores convencionais em células lógicas.

RTDs demonstraram frequências de oscilação até 712 GHz. Sua comutação liga/desliga os torna atraentes para reduzir contagem de componentes, área e consumo de potência comparado a circuitos CMOS tradicionais. [GEP] [ERB]

Transistor de Tunelamento de Dupla Camada (Deltt)

Deltt: O Deltt consiste de dois poços condutores ultra-finos (poços quânticos) separados por um isolante de alta lacuna de banda como GaAlAs. Quando tensões de gate alinham os níveis de energia dos dois poços, elétrons tunelam através da barreira, ligando o dispositivo. Viés excessivo desalinha os níveis, desligando-o. O dispositivo se comporta como um par complementar sem requerer transistores separados tipo p e n, e opera com alimentação de ~100 mV.

Protótipos Deltt funcionaram a 4,2 K, 77 K e 0 °C; operação em temperatura ambiente é antecipada. [GEP] [IGB] [PFS]

Metal-Isolante-Isolante-Metal (MIIM)

Diodo MIIM: Um dispositivo de tunelamento quântico que usa duas camadas isolantes entre eletrodos metálicos. Os isolantes devem ser mais finos que o comprimento de onda de de Broglie do elétron. Sob viés direto, um poço quântico forma-se entre os isolantes, aumentando dramaticamente a probabilidade de tunelamento e produzindo característica direta aguda. Diodos MIIM superam diodos MIM convencionais em resposta de frequência, atingindo 3,7 THz. Adicionar um terceiro eletrodo converte a estrutura em um transistor. [PHI]

Transistor de Ponto Quântico

Um ponto quântico — um condutor nanoscópico isolado — pode armazenar cargas discretas, com um ponto de 1 a 3 nm retendo um único elétron. Quando tal ponto é colocado sobre um isolante fino e acoplado a um gate, a tensão do gate pode alinhar o nível de energia do ponto com a fonte, permitindo um único elétron tunelar para o ponto (a "caixa de elétron único"). Incorporar o ponto entre source e drain transforma o estado de carga do ponto em uma modulação controlada por gate da corrente source-drain, análoga a um RTD ou Deltt. Essa abordagem permite um único tipo de transistor formar lógica complementar. [GEP]

Transistor de Elétron Único

Quando duas barreiras de tunelamento cercam uma minúscula ilha condutora, a adição de um único elétron muda o potencial da ilha tão dramaticamente que tunelamento adicional é bloqueado — um fenômeno chamado bloqueio de Coulomb. Esse mecanismo fundamenta transistores de elétron único, que tipicamente requerem temperaturas criogênicas. Ilhas baseadas em grafeno, no entanto, demonstraram operação em temperatura ambiente. [GEP]

Transistores de Grafeno e Nanotubos de Carbono

Transistor de grafeno: Grafeno, uma folha de carbono com espessura de um átomo, exibe condutividade excepcional sem dopagem. Transistores fabricados usando gates de grafeno mostram baixa dissipação de potência e altas velocidades de comutação, posicionando grafeno como potencial substituto do silício. Pontos quânticos de grafeno permitem comportamento de transistor de elétron único em temperatura ambiente. [AKG] [JWA]

Transistor de nanotubo de carbono: Enrolar uma folha de grafeno em um tubo produz um condutor 1-dimensional que suporta transporte balístico, minimizando espalhamento. Tanto nanotubos metálicos quanto semicondutores foram integrados em transistores de efeito de campo, oferecendo alternativas menores, mais rápidas e de menor potência ao silício. [MBR] [PNG]

Spintrônica

Spintrônica explora o spin do elétron — up ou down — como estado binário, permitindo armazenamento de dados e lógica com dissipação mínima de energia. Junções de tunelamento magnético (MTJs) consistem de duas camadas ferromagnéticas separadas por um isolante fino; a resistência da junção depende do alinhamento relativo de spin. Adicionar uma camada de fixação antiferromagnética estabiliza a magnetização de referência, aumentando sensibilidade de leitura/escrita. Arrays MTJ embutidos em wafers de silício fornecem memória não-volátil de alta velocidade que já existe em produtos comerciais. [WJG] [IBM] [TLE]

Futuros transistores de spin, embora ainda não realizados, poderiam permitir portas lógicas que propagam spin sem movimento de carga, reduzindo dramaticamente uso de potência. Injeção de spin via contatos ferromagnéticos ou luz polarizada circularmente foi demonstrada, abrindo caminhos para eletrônica baseada em spin. [DDA] [RCJ2]

REVISÃO:

• Afinamento do óxido de gate em transistores MOS causa vazamento e aquecimento inaceitáveis, marcando o limite prático do escalonamento convencional.
• Diodos de tunelamento ressonante usam tunelamento quântico para alcançar amplificação de alta velocidade e baixa potência.
• Transistores Deltt controlam tunelamento entre poços quânticos, permitindo lógica complementar sem dispositivos separados tipo p e n.
• Transistores de ponto quântico substituem o gate por uma ilha de elétron único, modulando corrente através de bloqueio de Coulomb.
• Spintrônica manipula spin do elétron em vez de carga, oferecendo processamento de dados não dissipativo.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de Condução Elétrica em Semicondutores