Al explotar un efecto curioso llamado capacitancia negativa, los investigadores diseñaron un transistor que requiere un voltaje de puerta un 30% más bajo que los diseños convencionales. Dirigido por Sayeef Salahuddin en la Universidad de California, Berkeley, el equipo basó su diseño en una heteroestructura de superred ultrafina, que contiene capas alternas de materiales ferroeléctricos y antiferroeléctricos. El equipo dice que su superred podría integrarse fácilmente en los diseños de transistores existentes, reduciendo sus requisitos de energía.

A medida que las computadoras modernas se vuelven cada vez más poderosas, la energía que consumen también crece y aparentemente no se vislumbra un final. Desacelerar esta tendencia requerirá cambios fundamentales en los diseños de transistores tradicionales.

Los transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido de metal (MOSFET) son omnipresentes en las computadoras y otros dispositivos electrónicos. Comprenden un canal semiconductor de silicio a través del cual la corriente puede fluir entre dos electrodos. La corriente pasa por un tercer electrodo llamado puerta, que está separado del canal del semiconductor por una capa de óxido aislante. El electrodo de compuerta actúa como una placa de un capacitor y, al variar el voltaje aplicado a la compuerta, se pueden ajustar las propiedades electrónicas del silicio. El resultado es que la corriente que fluye a través del canal se puede encender y apagar.

Efecto contrario

En su estudio, el equipo de Salahuddin buscó mejorar este diseño explotando la capacitancia negativa. Este es un efecto que Salahuddin predijo por primera vez en 2008 y demostró experimentalmente en 2011. Ocurre cuando una disminución en el voltaje a través de un capacitor da como resultado un aumento en la carga almacenada en el dispositivo, lo contrario de lo que sucede en los capacitores convencionales.

La capacitancia negativa surge en materiales ferroeléctricos, cuya polarización eléctrica espontánea puede reorientarse con la aplicación de un campo eléctrico externo. Para crear capacitancia negativa, un material dieléctrico aislante se combina con un material ferroeléctrico, lo que amplifica significativamente la cantidad de carga que se acumula en un material ferroeléctrico a un voltaje dado.

Salahuddin y sus colegas ahora han demostrado el efecto en un nuevo material de superred ultrafino. Comprende capas alternas del espesor de un átomo del material ferroeléctrico fuertemente dieléctrico, dióxido de hafnio y el compuesto antiferroeléctrico dióxido de circonio, que muestra una polarización espontánea cero.

Coincidencia de rendimiento

Para probar las capacidades de su material, los investigadores depositaron una película de la superred de solo 2 nm de espesor sobre una fina capa de vidrio, separándola de una capa de silicio. En el MOSFET resultante, el equipo descubrió que el voltaje de la puerta se podía reducir en aproximadamente un 30 %, lo que reduce el consumo de energía del dispositivo. El dispositivo resultante pudo igualar el rendimiento de los diseños de transistores existentes.

Dado que el dióxido de hafnio ya se usa ampliamente en combinación con el dióxido de silicio para formar las capas aislantes de los MOSFET, este diseño es muy compatible con los procesos de fabricación existentes. Como resultado, Salahuddin y sus colegas esperan que su material pueda reducir sustancialmente la cantidad de energía consumida por las computadoras modernas, sin sacrificar su velocidad, rendimiento o tamaño pequeño.

La investigación se describe en Naturaleza.