Transístor sem semicondutor dispensa silício e não esquenta

Os elétrons saltam precisamente de ponto quântico em ponto quântico, por meio do fenômeno do tunelamento, sem perda de corrente.[Imagem: Yoke Khin Yap]

Além do silício

Computadores fundamentam-se em processadores, que são feitos de transistores, que são fabricados com semicondutores, sendo o principal deles o silício.

Esta é a tem sido a espinha dorsal da nossa atual “Era da Tecnologia”, com apenas um detalhe a mais: o motor dessa era é a miniaturização, que, em última instância, permite acelerar cada vez mais os computadores.

Mas há algumas pedras nesse caminho. Uma delas é que não vai dar para diminuir muito mais os transistores. Outra é que os semicondutores têm sido muito bons, mas eles desperdiçam energia demais na forma de calor.

A eletrônica molecular tem tido seus avanços, mas não é de hoje que os pesquisadores tentam achar alguma coisa mais eficiente para substituir o silício, que permita tirar proveito do tamanho mínimo dos transistores, mas com ganhos de desempenho.

Transístor sem semicondutor

Chee Huei Lee e seus colegas da Universidade Tecnológica de Michigan, nos Estados Unidos, acabam de apresentar uma nova alternativa.

Há dois avanços importantes nesta nova técnica.

O primeiro é atropelar a miniaturização e, em vez de tentar esculpir transistores cada vez menores em pastilhas grandes, usar nanotubos, que são tipicamente “montados” de para baixo para cima, partindo do nível molecular.

O segundo avanço é a própria arquitetura do transístor, que sai do meio-termo dos semicondutores e passa a usar uma mescla de materiais isolantes e condutores.

Huei Lee usou nanotubos de nitreto de boro, que são isolantes, recobrindo-os com pontos quânticos de ouro, cada um medindo apenas 3 nanômetros de diâmetro.

Os pontos quânticos são estrutura que conseguem aprisionar partículas individuais – elétrons, por exemplo. Embora isso os faça funcionar como se fossem semicondutores – a corrente não flui continuamente, mas vai “aos saltos”, eles representam uma categoria à parte, um híbrido entre um semicondutor e uma molécula individual.

Os nanotubos de nitreto de boro, um dos materiais mais duros do mundo, são isolantes, servindo como um suporte ideal para distribuir os pontos quânticos com grande precisão espacial, já que são pequenos e têm diâmetros muito uniformes.

Transístor quântico dispensa o silício e não esquenta

O transístor sem semicondutor (esquerda) e a estrutura do nanotubo de nitreto de boro (direita). [Imagem: Yap Lab/MTU]

Transístor de tunelamento quântico

Quando uma tensão é aplicada às duas pontas do nanotubo – em temperatura ambiente – os elétrons não saem correndo pelo tubo, porque ele é isolante.

Em vez disso, ocorre algo muito mais interessante: os elétrons saltam precisamente de ponto quântico em ponto quântico, por meio do fenômeno do tunelamento.

“Imagine que os nanotubos são um rio, com um eletrodo em cada margem. Agora imagine que há um caminho de pedras até o outro lado do rio. Os elétrons pulam sobre as pedras de ouro. As pedras são tão pequenas que você só pode ter um elétron em cada pedra de cada vez. Todos os elétrons atravessam da mesma forma, o faz com que o dispositivo seja sempre estável,” explica o professor Yoke Khin Yap, coordenador do trabalho.

Quando a tensão é forte o suficiente, o transístor entra em estado condutor – o estado “ligado”, ou “1”. Quando a tensão cai ou chega a zero, ele volta ao seu estado isolante natural – o estado “desligado”, ou “0”.

Como os elétrons não têm como escapar pelo nanotubo, que é isolante, não há vazamento de corrente, o que torna o transístor de tunelamento metal-isolante muito eficiente, não perdendo energia na forma de calor.

O próximo passo do trabalho será colocar vários transistores de tunelamento em conjunto para demonstrar seu funcionamento em condições reais – é preciso garantir que o tunelamento de um não interfira no tunelamento que está ocorrendo no vizinho.