Los transistores que pueden cambiar sus propiedades son elementos importantes en el desarrollo de los semiconductores del mañana. Con los transistores estándar acercándose al límite de lo pequeños que pueden ser, tener más funciones en la misma cantidad de unidades se vuelve cada vez más importante para permitir el desarrollo de circuitos pequeños y eficientes energéticamente para una memoria mejorada y computadoras más potentes. Investigadores de la Universidad de Lund en Suecia han demostrado cómo crear nuevos transistores configurables y ejercer control en un nivel nuevo y más preciso.

En vista de la necesidad cada vez mayor de circuitos mejores, más potentes y eficientes, existe un gran interés en los transistores reconfigurables. La ventaja de estos es que, a diferencia de los semiconductores estándar, es posible cambiar las propiedades del transistor después de haberlo fabricado.

Históricamente, la potencia computacional y la eficiencia de las computadoras se han mejorado al reducir el tamaño del transistor de silicio (también conocido como Ley de Moore). Pero ahora se ha llegado a una etapa en la que los costos para continuar el desarrollo en ese sentido se han vuelto mucho más altos y han surgido problemas de mecánica cuántica que han ralentizado el desarrollo.

En cambio, la búsqueda de nuevos materiales, componentes y circuitos está en marcha. La Universidad de Lund se encuentra entre los líderes mundiales en materiales III-V, que son una alternativa al silicio. Se trata de materiales con un potencial considerable en el desarrollo de tecnología de alta frecuencia (como piezas para futuras redes 6G y 7G), aplicaciones ópticas y componentes electrónicos cada vez más eficientes energéticamente.

Los materiales ferroeléctricos se utilizan para realizar este potencial. Estos son materiales especiales que pueden cambiar su polarización interna cuando se exponen a un campo eléctrico. Se puede comparar con un imán común, pero en lugar de un polo norte y sur magnético, se forman polos eléctricos con una carga positiva y negativa en cada lado del material. Al cambiar la polarización, es posible controlar el transistor. Otra ventaja es que el material « recuerda » su polarización, incluso si la corriente está apagada.

A través de una nueva combinación de materiales, los investigadores han creado « granos » ferroeléctricos que controlan una unión de túnel, un efecto de puente eléctrico, en el transistor. Esto es en una escala extremadamente pequeña: un grano tiene un tamaño de 10 nanómetros. Al medir las fluctuaciones en el voltaje o la corriente, ha sido posible identificar cuándo cambia la polarización en los granos individuales y así comprender cómo esto afecta el comportamiento del transistor.

La investigación recientemente publicada ha examinado nueva memoria ferroeléctrica en forma de transistores con barreras de túnel para crear nuevas arquitecturas de circuitos.

“El objetivo es crear circuitos neuromórficos, es decir, circuitos adaptados a la inteligencia artificial en el sentido de que su estructura es similar al cerebro humano con sus sinapsis y neuronas”, dice Anton Eriksson, quien recientemente completó su doctorado en nanoelectrónica.

Lo especial de los nuevos resultados es que ha sido posible crear uniones de túneles utilizando granos ferroeléctricos que se encuentran directamente adyacentes a la unión. Estos nanogranos se pueden controlar a nivel individual, cuando antes solo era posible realizar un seguimiento de grupos completos de granos, conocidos como conjuntos. De esta forma, es posible identificar y controlar partes separadas del material.

« Para crear aplicaciones avanzadas, primero debe comprender la dinámica de los granos individuales hasta el nivel atómico, así como los defectos que existen. La mayor comprensión del material se puede utilizar para optimizar las funciones. Al controlar estos granos ferroeléctricos « , luego puede crear nuevos semiconductores en los que puede alterar las propiedades. Al cambiar el voltaje, puede producir diferentes funciones en un mismo componente », dice Lars-Erik Wernersson, profesor de nanoelectrónica.

Los investigadores también han examinado cómo se puede utilizar este conocimiento para crear diferentes aplicaciones reconfigurables mediante la manipulación de diversas formas de la señal que pasa por el transistor. Podría, por ejemplo, usarse para nuevas celdas de memoria o transistores más eficientes energéticamente.

Este nuevo tipo de transistor se llama ferro-TFET y se puede utilizar tanto en circuitos digitales como analógicos.

« Lo interesante es que es posible modular la señal de entrada de varias maneras, por ejemplo, mediante el cambio de fase del transistor, la duplicación de frecuencia y la mezcla de señales. Como el transistor recuerda sus propiedades, incluso cuando la corriente está apagada, no es necesario reiniciarlo cada vez que se usa el circuito », dice Zhongyunshen Zho, estudiante de doctorado en nanoelectrónica.

Otra ventaja de estos transistores es que pueden funcionar a bajo voltaje. Esto los hace energéticamente eficientes, lo que será necesario, por ejemplo, en la comunicación inalámbrica del mañana, la Internet de las cosas y las computadoras cuánticas.

« Considero que se trata de una investigación de vanguardia de prestigio internacional. Es bueno que en Lund y Suecia estemos a la vanguardia en lo que respecta a los semiconductores, especialmente en vista de la Ley de chips recientemente promulgada por la UE, que tiene como objetivo fortalecer la posición de Europa con respecto a los semiconductores ». dice Lars-Erik Wernersson.