Transistores com capacitância negativa consomem 30% menos energia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/05/2022

Estruturas cristalinas especiais, conhecidas como superredes, podem tornar os computadores mais eficientes em termos de energia.
[Imagem: Ella Maru Studio]

Capacitância negativa

Tirando proveito de um efeito ainda controverso entre os físicos, chamado "capacitância negativa", pesquisadores criaram um transístor que consome 30% menos energia do que os componentes de última geração que equipam nossos computadores e demais eletrônicos.

Uma redução de 30% no consumo de eletricidade dos computadores poderia ter um impacto na luta contra as mudanças climáticas maior do que qualquer outra medida vislumbrada hoje. E a demonstração feita agora é totalmente compatível com a atual tecnologia da microeletrônica.

A equipe do professor Sayeef Salahuddin, da Universidade de Berkeley, nos EUA, previu teoricamente a existência da capacitância negativa em 2008, e demonstrou pela primeira vez o efeito em um cristal ferroelétrico em 2011. Mais recentemente, em 2019, eles fotografaram a capacitância negativa em ação.

Em termos simples, a capacitância mede a capacidade de um material ou componente de armazenar energia elétrica. A capacitância negativa ocorre quando uma mudança na carga faz com que a tensão através do material mude na direção oposta - uma diminuição na tensão aplicada leva a um aumento na carga do capacitor.

A capacitância negativa pode aumentar o desempenho dos componentes eletrônicos reduzindo a tensão necessária para atingir uma determinada carga elétrica. Mas o efeito não pode ser obtido em qualquer material: O fenômeno requer a manipulação cuidadosa de uma propriedade do material chamada ferroeletricidade, que ocorre quando um material apresenta um campo elétrico espontâneo. Anteriormente, o efeito só era alcançado em materiais ferroelétricos chamados perovskitas, cuja estrutura cristalina não é compatível com o silício.

Superredes compatíveis com silício

A equipe demonstrou agora que a capacitância negativa também pode ser obtida combinando óxido de háfnio e óxido de zircônio em uma estrutura cristalina conhecida como superrede, que gera simultaneamente a ferroeletricidade e a antiferroeletricidade.

"Nós descobrimos que essa combinação realmente nos dá um efeito de capacitância negativa ainda melhor, o que mostra que esse fenômeno de capacitância negativa é muito mais amplo do que se pensava originalmente," disse o pesquisador Suraj Cheema. "A capacitância negativa não ocorre apenas na imagem convencional de um ferroelétrico com um dielétrico, que é o que foi estudado na última década. Você pode realmente tornar o efeito ainda mais forte projetando essas estruturas cristalinas para explorar a antiferroeletricidade em conjunto com a ferroeletricidade."

Cheema descobriu que uma estrutura de superrrede composta por três camadas atômicas de óxido de zircônio, intercaladas entre duas camadas atômicas de óxido de háfnio, totalizando menos de dois nanômetros (2 nm) de espessura, forneceu o melhor efeito de capacitância negativa.

Como a maioria dos transistores de silício de última geração já usa uma porta de 2 nanômetros, composta de óxido de háfnio em cima de dióxido de silício, e como o óxido de zircônio também é usado em tecnologias de silício, essas estruturas de superrede podem ser facilmente integradas em transistores avançados.

Para testar o desempenho da estrutura da superrede como um óxido de porta, a equipe fabricou transistores de canal curto e testou suas capacidades: Esses transistores exigiram aproximadamente 30% menos tensão, mantendo as referências da indústria de semicondutores e sem perder confiabilidade, em comparação com os transistores existentes.

"Um dos problemas que vemos com frequência nesse tipo de pesquisa é que podemos demonstrar vários fenômenos em materiais, mas esses materiais não são compatíveis com materiais de computação avançada e, portanto, não podemos trazer o benefício para a tecnologia real," disse o professor Salahuddin. "Este trabalho transforma a capacitância negativa de um tópico acadêmico em algo que pode realmente ser usado em um transístor avançado."

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