Immagine copertina generata con l’intelligenza artificiale
La prossima generazione dell’elettronica potrebbe passare da transistor completamente diversi rispetto a quelli utilizzati oggi. Un gruppo di ricerca della The Hong Kong Polytechnic University (PolyU) ha sviluppato un nuovo tunneling field-effect transistor (TFET) basato su nanomateriali bidimensionali, progettato per superare uno dei principali limiti fisici dei transistor convenzionali. La tecnologia potrebbe rappresentare un elemento fondamentale per realizzare sistemi di calcolo più efficienti dal punto di vista energetico e, in prospettiva, nuovi chip destinati all’intelligenza artificiale.
Il limite fisico dei transistor tradizionali
I circuiti integrati sono costruiti attorno a transistor capaci di passare dallo stato ON a quello OFF. Nei tradizionali MOSFET, questo processo avviene attraverso l’emissione termionica delle cariche elettriche oltre una barriera, controllata dalla tensione applicata al gate.
A temperatura ambiente, però, questo meccanismo è soggetto al cosiddetto limite di Boltzmann, o Boltzmann tyranny. Il fenomeno impedisce ai MOSFET di scendere sotto un subthreshold swing di 60 mV per decade, un valore che misura sostanzialmente quanto rapidamente il transistor riesce a cambiare stato.
Il limite rappresenta uno dei principali ostacoli all’aumento dell’efficienza energetica dei dispositivi elettronici e, di conseguenza, al progresso dei sistemi ad alte prestazioni.
Il transistor 2D sfrutta il tunneling quantistico
Per aggirare questa barriera, il gruppo guidato dal professor Jianhua Hao ha sviluppato un TFET basato su una struttura composta da materiali 2D. Il dispositivo utilizza il tunneling quantistico al posto dell’emissione termionica, permettendo di superare il limite dei 60 mV per decade.
I ricercatori hanno realizzato una struttura ultrasottile composta da strati alternati di bismuto (Bi) e seleniuro di indio (InSe) attraverso la tecnica pulsed laser deposition (PLD).
Il controllo estremamente preciso della struttura a livello nanometrico permette al bismuto, normalmente un semimetallo, di assumere in questa configurazione bidimensionale un comportamento da semiconduttore. In questo modo si crea un allineamento delle bande energetiche favorevole al passaggio delle cariche verso l’InSe attraverso il tunneling.
Prestazioni elevate a una tensione molto più bassa
Il risultato è un transistor capace di operare a temperatura ambiente con valori di subthreshold swing inferiori a 60 mV per decade lungo sei ordini di grandezza della corrente.
Il dispositivo ha inoltre bisogno di un intervallo di tensione del gate di appena 160 mV, contro gli 800 mV richiesti dai MOSFET avanzati indicati nello studio.
Uno degli aspetti più importanti riguarda però la corrente in uscita. Il TFET Bi/InSe è riuscito a raggiungere diversi microampere per micrometro (μA μm⁻¹), mantenendo contemporaneamente un rapporto ON/OFF della corrente particolarmente elevato.
Si tratta di un risultato importante perché una corrente di uscita elevata permette al transistor di pilotare più porte logiche successive, migliorando il fan-out e contribuendo a ridurre i ritardi dei circuiti. Il dispositivo è stato inoltre realizzato su substrati di silicio di dimensioni centimetriche.
Una possibile strada verso i chip AI
Lo studio, pubblicato su Science, affronta anche il tema della produzione su larga scala. I ricercatori hanno dimostrato che la PLD può essere utilizzata per la fabbricazione ad alta precisione di materiali 2D su scala wafer, un passaggio considerato importante per lo sviluppo di transistor con canali estremamente corti.
Secondo Jianhua Hao, la roadmap internazionale IRDS identifica i TFET tra le alternative più promettenti ai MOSFET. La possibilità di integrare questa struttura con i tradizionali processi produttivi basati sul silicio potrebbe quindi offrire un percorso verso circuiti integrati ad altissime prestazioni e consumi ridotti, con applicazioni anche nell’hardware destinato all’intelligenza artificiale.
Fonte: Techxplore
