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  1. Esquema básico de um transístor topológico. [Imagem: Michael S. Fuhrer et al. (2021)] Isolantes topológicos O que todos esperavam, um tanto ansiosamente, acaba de acontecer. Pesquisadores australianos conseguiram demonstrar o funcionamento de um transístor - o componente fundamental da eletrônica e da computação - usando a promissora classe de materiais conhecidos como isolantes topológicos, materiais que apresentam várias características interessantes porque suas propriedades eletroeletrônicas são diferentes em sua superfície e em seu interior. Os ganhos não são pequenos: As primeiras estimativas dão conta de que um transístor topológico apresenta perdas de energia que são, no mínimo, 10 vezes menores do que as perdas dos mais modernos transistores de silício. Isso significa um alento para o mundo da computação, que já é responsável pelo consumo de cerca de 8% da energia produzida em todo o mundo. E a equipe já deu um passo adicional, projetando uma versão ainda mais avançada, em que seu transístor topológico tira proveito de um fenômeno só recentemente demonstrado, conhecido como capacitância negativa. Transístor básico Um transístor é uma chave eletrônica. Ele tem três terminais: Uma tensão aplicada ao terminal da base controla a corrente que pode fluir entre os outros dois terminais (chamados de coletor e emissor). Nos chips, os transistores podem estar "ligados" (ou seja, a corrente pode fluir) ou "desligados" (a corrente está bloqueada), representando os 1s e 0s necessários para as operações lógicas binárias. Assim, ligar e desligar um transístor - gravar ou alterar seu dado - requer uma pequena quantidade de energia elétrica a cada vez. Então some os milhões, ou mesmo bilhões, de transistores nos chip e processadores mais modernos, e a conta de energia sobe rapidamente. Os transistores de hoje são todos feitos de silício, que é um semicondutor. Ocorre que os semicondutores são isolantes, exigindo uma dopagem com átomos de outros elementos e a aplicação de uma carga elétrica extra para tornar-se condutor. Esse é o princípio do tão conhecido transístor de efeito de campo (FET): A base é conectada por um capacitor a uma fatia do semicondutor que passa entre os terminais coletor e emissor. Uma tensão aplicada na base carrega o capacitor, e sua carga extra em contato com o semicondutor permite que a corrente flua, ligando o transístor, ou passando-o de "0" para "1". O professor Michael Fuhrer na apresentação online em que a equipe descreveu seus resultados com o uso de isolantes topológicos para construir transistores. [Imagem: Michael S. Fuhrer et al. (2021)] Transístor topológico Um material isolante topológico é mais interessante porque, embora ele também não conduza eletricidade em seu interior, como o silício, ele conduz naturalmente em sua superfície, sem qualquer dopagem. Se ele for fabricado em uma forma tridimensional, ele irá conduzir eletricidade em suas superfícies bidimensionais; se ele for fabricado em camadas muito finas, monoatômicas, ou bidimensionais, ele irá conduzir ao longo de suas bordas unidimensionais. Michael Fuhrer e seus colegas do Instituto Fleet, na Austrália, conseguiram finalmente tirar proveito dessas características para construir transistores funcionais e com um consumo de energia muito baixo. Fuhrer descobriu como usar um campo elétrico para transicionar um material isolante topológico (que conduz eletricidade ao longo de suas bordas) em um isolante normal (que não conduz de forma alguma), o que permite que um material topológico seja usado como um transístor. Ele batizou seu novo transístor de TQFET, ou transístor de efeito de campo quântico topológico. O TQFET pode alternar seus estados com uma tensão mais baixa do que um FET convencional, superando a chamada "tirania de Boltzmann", que define o limite inferior para a tensão necessária para alternar uma corrente em temperatura ambiente. "A comutação de baixa tensão ocorre devido a um efeito chamado acoplamento spin-órbita, que é mais forte em elementos mais pesados como o bismuto. Descobrimos que os TQFETs baseados em bismuto poderiam alternar na metade da voltagem e um quarto da energia dos FETs convencionais de tamanho semelhante," contou o pesquisador Muhammad Nadeem, da Universidade de Wollongong e membro da equipe. O plano agora é passar dos TQFETs para os NC-TQFETs. [Imagem: Michael S. Fuhrer et al. (2021)] Transístor com capacitância negativa Como se não fosse bom o suficiente, a equipe ainda descobriu como tirar proveito de uma outra propriedade inusitada, descoberta recentemente, a capacitância negativa, e usá-la no capacitor do seu transístor TQFET. Um capacitor consiste em dois condutores separados por um isolador. O componente apresenta uma capacitância C, que expressa a quantidade de carga elétrica Q nos metais quando uma tensão V é aplicada entre eles: C = Q/V. Normalmente, este é um número positivo, mas, se ele for negativo, o capacitor ficaria instável e poderia carregar sem a aplicação de nenhuma tensão externa. Mas isso é exatamente o que um material ferroelétrico faz: Ele tem uma polarização espontânea, que carrega suas superfícies. Portanto, um material ferroelétrico pode ser considerado como tendo uma capacitância negativa em um determinado regime, embora esse regime não seja normalmente acessível porque é instável. Já existem várias tentativas de explorar os capacitores negativos na eletrônica, incluindo um transístor com capacitância negativa, mas ninguém conseguiu tirar proveito do fenômeno nos FETs tradicionais porque a queda de tensão necessária para carregar o capacitor devida à capacitância negativa simplesmente desaparece pelo próprio projeto muito aprimorado de construção dos transistores FET atuais. Mas as coisas são diferentes no TQFET. A adição de uma capacitância negativa, na forma de um material ferroelétrico, para fabricar um TQFET de capacitância negativa (NC-TQFET) na verdade amplifica o campo elétrico, o que permite a comutação em tensões e energias muito mais baixas. "O TQFET usa o campo elétrico para chavear, então pode se beneficiar diretamente da amplificação do campo elétrico que é fornecida pela capacitância negativa," disse o professor Jared Cole, da Universidade RMIT. A equipe calculou que um NC-TQFET feito com bismuto e usando háfnio (HfO2) dopado com lantânio (La), um material ferroelétrico que já foi integrado com sucesso ao silício, poderá chavear de ligado para desligado com uma energia 10 vezes menor do que um FET de silício de última geração. "Há ainda mais espaço para melhorias," disse Fuhrer. "Ferroelétricos mais avançados com polarizações remanescentes maiores poderiam permitir a troca em energias ainda mais baixas." Mais do que Moore No entanto, se o progresso está firme nos TQFET, vários desafios ainda terão que ser vencidos para fabricar um NC-TQFET funcional. Isolantes topológicos baseados em bismuto com a estrutura adequada ainda precisarão ser fabricados e testados, e integrar esses materiais com camadas ferroelétricas representa outro desafio nada desprezível. Ainda assim, o NC-TQFET fornece um plano claro para reduzir a energia em futuros transistores. Não por acaso, os transistores topológicos foram adicionados no ano passado ao IEEE International Roadmap for Devices and Systems, o plano internacionalmente acordado que orienta os avanços na tecnologia de semicondutores, conforme mapeado pela famosa Lei de Moore - o roteiro agora já inclui planos delineados como "Mais Moore", "Mais do que Moore" e "Além das tecnologias CMOS". Fonte: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=transistor-topologico&id=010110211231
  2. A maior diferença na arquitetura do transístor inteligente está na adição de uma porta adicional de programação (azul), além da porta tradicional de controle (vermelho). [Imagem: TU Wien] Transístor adaptativo Engenheiros da Universidade de Viena, na Áustria, criaram um transístor adaptativo, que pode ser controlado dinamicamente, em tempo de execução, para executar diferentes tarefas lógicas. Isso muda fundamentalmente as possibilidades de design de chips e abre oportunidades completamente novas no campo da inteligência artificial, das redes neurais e até mesmo da lógica multibits, que funciona com mais valores do que apenas 0 e 1, aproximando a eletrônica da computação quântica. Com toda a sua importância para a nossa era tecnológica, o transístor é um componente eletrônico projetado para fazer sempre a mesma coisa. Um transístor permite que a corrente elétrica flua ou não, dependendo se uma tensão elétrica é aplicada ou não a um eletrodo de controle. Mas "apenas" isso tornou possível construir os circuitos lógicos, as memórias, os processadores, enfim, toda a nossa tecnologia da informação. Um transístor "inteligente", por sua vez, cujo funcionamento pode ser controlado, promete abrir toda uma nova era de manipulação das informações, com uma flexibilidade para os projetos impensável com a tecnologia de hoje. Transístor inteligente A primeira novidade é que o transístor inteligente não é feito de silício, mas de germânio, um semicondutor com propriedades até melhores que o silício, mas mais difícil de trabalhar - recentemente, outra equipe usou o germânio para criar transistores que funcionam como qubits para computadores quânticos. O modo como a eletricidade é transportada em um transístor depende do material de que ele é feito: Ou há elétrons em movimento livre, que carregam uma carga negativa, ou podem estar faltando elétrons nos átomos, de modo que esse ponto fica com carga positiva, uma "lacuna", que também pode se mover através do material no sentido oposto. No novo transístor, tanto elétrons quanto lacunas são manipulados simultaneamente. "Nós conectamos dois eletrodos com um fio extremamente fino feito de germânio, por meio de interfaces extremamente limpas e de alta qualidade. Acima do segmento de germânio, nós colocamos um eletrodo de porta, como os encontrados nos transistores convencionais. O que é decisivo é que nosso transístor possui um outro eletrodo de controle, que é colocado nas interfaces entre o germânio e o metal. Ele pode programar dinamicamente a função do transistor," explicou o professor Masiar Sistani. Essa arquitetura de duas portas permite controlar separadamente os elétrons (cargas negativas) e as lacunas (cargas positivas). "Isso [é possível] porque o germânio tem uma estrutura eletrônica muito especial: Quando você aplica tensão, o fluxo de corrente inicialmente aumenta, como seria de se esperar. Após um certo limite, no entanto, o fluxo de corrente diminui novamente - isso é chamado de resistência diferencial negativa. Com a ajuda do eletrodo de controle, nós podemos modular a tensão em que esse limite se encontra. Isso resulta em novos graus de liberdade que podemos usar para dar ao transístor exatamente as propriedades que precisamos no momento," detalhou Sistani. A programação do transístor permite trabalhar com mais do que dois valores lógicos. [Imagem: Masiar Sistani et al. - 10.1021/acsnano.1c06801] Lógica multivalorada e uso industrial Para dar uma ideia do ganho que se obtém com a flexibilidade do transístor ajustável, a equipe demonstrou que um circuito simples, capaz de fazer as quatro operações aritméticas, pode ser construído com apenas 24 transistores inteligentes, enquanto exige hoje 160 transistores comuns de silício. "Até agora, a inteligência da eletrônica tem vindo simplesmente da interconexão de vários transistores, cada um dos quais tem apenas uma funcionalidade bastante primitiva. No futuro, essa inteligência poderá ser transferida para a adaptabilidade do próprio transístor," disse o professor Walter Weber, coordenador da equipe. Essa flexibilidade do componente eletrônico é particularmente interessante para o campo do hardware voltado à inteligência artificial, mais especificamente da chamada lógica multivalorada, na qual componentes conhecidos como multibits trabalham não apenas com 0 ou 1, mas com um maior número de estados possíveis, fazendo uma ponte entre a eletrônica e a computação quântica. E a aplicação industrial desta nova tecnologia não é algo distante no futuro: O germânio já é usado pela indústria microeletrônica, não exigindo nenhum processo de fabricação completamente novo. De certa forma, esta nova tecnologia de transistores adaptativos pode ser até mais simples: Hoje, os semicondutores precisam ser dopados, ou seja, enriquecidos com átomos de outros elementos, o que não é necessário com o transístor feito de germânio - ele é feito de germânio puro. Fonte: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=transistor-inteligente&id=010110211202
  3. Transístor de luz Uma equipe da IBM e do Instituto de Tecnologia Skolkovo, na Rússia, criou um transístor óptico com potencial para substituir os transistores eletrônicos atuais em uma nova geração de computadores que funcionam com fótons em vez de elétrons. Além da economia de energia direta, o transístor de luz não requer resfriamento e é muito rápido: Quando trabalha na faixa de 1 trilhão de operações por segundo, ele é entre 100 e 1.000 vezes mais rápido do que os transistores eletrônicos de primeira linha de hoje. "O que torna o novo componente tão eficiente em termos de energia é que basta apenas alguns fótons para fazê-lo chavear," comentou o professor Anton Zasedatelev. "Na verdade, em nossos laboratórios aqui no Skoltech, conseguimos chaveá-lo com apenas um fóton em temperatura ambiente!" E não é só isso: Além de sua função primária de transístor, a chave óptica pode atuar como um componente que conecta dispositivos transportando dados na forma de sinais ópticos. Ou também pode servir como um amplificador, aumentando a intensidade de um feixe de laser de entrada por um fator de até 23.000. O componente também tem outras funções, como integração de redes ópticas e amplificador para lasers. Como o transístor de luz funciona Assim como um transístor comum alterna entre um 0 e um 1 ligando ou desligando a corrente elétrica que passa por ele, o transístor óptico faz esse chaveamento manipulando dois feixes de laser: Um feixe de laser de controle muito fraco é usado para ligar ou desligar outro feixe de laser mais brilhante. E não são lasers de alta potência: Basta apenas alguns fótons no feixe de controle para ligar ou desligar o feixe mais forte, o que explica a alta eficiência energética do componente. A comutação ocorre dentro de uma microcavidade - um polímero semicondutor orgânico de 35 nanômetros ensanduichado entre estruturas inorgânicas altamente reflexivas. A microcavidade é construída de forma a manter a luz que entra presa em seu interior pelo maior tempo possível, para favorecer seu acoplamento com o material da cavidade. Este acoplamento de luz-matéria forma a base do novo componente: Quando os fótons se acoplam fortemente aos pares de elétron-lacuna - também conhecidos como excitons - no material da cavidade, isso dá origem a entidades de curta duração, chamadas de exciton-polaritons, que são uma espécie de quasipartículas. Quando o laser de bombeamento - o mais brilhante dos dois - chega ao transístor, isso cria milhares de quasipartículas idênticas no mesmo local, formando um condensado, que codifica os estados lógicos "0" e "1" do transístor. Para alternar entre os dois estados do componente, um pulso do laser de controle "ativa" o condensado pouco antes da chegada do pulso de laser de bombeamento. Isto estimula a conversão de energia do laser de bombeamento, aumentando a quantidade de quasipartículas no condensado: Uma grande quantidade de partículas ali corresponde ao estado "1" do transístor óptico. Bibliografia: Artigo: Single-photon nonlinearity at room temperature Autores: Anton V. Zasedatelev, Anton V. Baranikov, Denis Sannikov, Darius Urbonas, Fabio Scafirimuto, Vladislav Yu. Shishkov, Evgeny S. Andrianov, Yurii E. Lozovik, Ullrich Scherf, Thilo Stöferle, Rainer F. Mahrt, Pavlos G. Lagoudakis Revista: Nature Vol.: 597, pages 493-497 DOI: 10.1038/s41586-021-03866-9 Fonte: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=transistor-luz-acelera-computacao-1-000-vezes&id=010110210924#.YXMRgZ7MLIU
  4. Transístor anti-hacker promete computadores mais seguros Os transistores neste chip experimental foram construídos com um material 2D que os disfarça dos hackers. Tipos de transistores Um processador ou qualquer outro chip usa milhões de transistores para rotear a eletricidade em seu interior e fazer seus cálculos. Para que isso seja possível, são necessários dois tipos distintos de transistores - um tipo n (negativo) e um tipo p (positivo). A engenharia reversa dos chips é uma prática mais comum do que gostaríamos - seja por hackers, seja por governos em busca de espionar outros ou por empresas, quando desconfiam de violações de sua propriedade intelectual ou simplesmente para realizar seu "benchmarking". Como cada tipo de transístor desempenha diferentes papéis, para que possa ser possível copiar o chip, é necessário em primeiro lugar identificar com precisão quais são os transistores p e quais são os n. E isso é bem fácil de fazer porque os dois funcionam de forma diferente. Agora, Peng Wu e seus colegas da Universidade Purdue, nos EUA, criaram uma técnica que disfarça o tipo do transístor, garantindo uma camada de segurança contra espionagem no nível mais fundamental. A demonstração deste novo nível de segurança contou com a participação da pesquisadora brasileira Dayane Reis, formada pela PUC de Minas Gerais. Chip anti-hacker A equipe usou um material emergente, conhecido como fósforo negro, ou fosforeno, que são placas monoatômicas de fósforo, assim como o grafeno é uma placa monoatômica de carbono. Embora a camuflagem já seja uma medida de segurança usada pelos fabricantes, normalmente ela é feita no nível dos circuitos e não tenta obscurecer a funcionalidade de transistores individuais. Mas quando os transistores são fabricados sobre uma camada de um material como o fósforo negro torna-se impossível saber qual transístor é qual - quando a tensão alterna seus estados, os dois tipos de transistores parecem exatamente iguais. Normalmente, o que revela os transistores do tipo n e p é a forma como eles conduzem a corrente: Os transistores do tipo n conduzem uma corrente transportando elétrons, enquanto os transistores do tipo p usam a ausência de elétrons, as chamadas lacunas. Mas o fósforo negro é tão fino que permite o transporte de elétrons e lacunas em um nível de corrente semelhante, fazendo com que os dois tipos de transistores pareçam fundamentalmente os mesmos. Embora a demonstração tenha funcionado a contento, o fósforo negro não está na lista dos materiais mais pesquisados pela indústria porque ele é muito volátil. Assim, a equipe pretende fazer testes com materiais mais próximos da escala industrial, como a molibdenita ou o grafeno. Link:https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=transistor-anti-hacker-promete-computadores-mais-seguros&id=010110201208#.YE9jGTrivcc
  5. O transístor de potência superou os 8kV. [Imagem: University at Buffalo] Transístor de potência Se, de um lado, exige-se transistores capazes de funcionar com tensões elétricas cada vez menores, para consumir menos energia, do outro, aplicações de alta potência exigem transistores com esteroides, capazes de operar em tensões muito elevadas. A aplicação que mais se tem em vista neste segundo caso são os carros elétricos e aviões elétricos, mas mesmo veículos mais tradicionais, como locomotivas e navios, além de inúmeras aplicações industriais, estão exigindo cada vez mais da chamada "eletrônica de potência". "Para realmente impulsionar essas tecnologias para o futuro, precisamos de componentes eletrônicos de próxima geração, que possam lidar com maiores cargas de energia sem aumentar o tamanho dos sistemas eletrônicos de potência," disse Uttam Singisetti, da Universidade de Buffalo, nos EUA. Para atender a essas necessidades, Singesetti acaba de criar um transístor capaz de suportar nada menos do que 8.000 volts, o suficiente para torrar qualquer circuito eletrônico tradicional. Intervalo de banda dos semicondutores Para isso, ele conseguiu tirar proveito da largura do "intervalo de banda" (bandgap) do semicondutor óxido de gálio. O intervalo de banda mede quanta energia é necessária para colocar um elétron em um estado condutor. Os sistemas feitos com materiais com grande largura de banda podem ser mais finos, mais leves e controlam mais energia do que os sistemas feitos de materiais com larguras de banda mais baixas. O intervalo de banda do óxido de gálio é de cerca de 4,8 elétron-volts, o que o coloca entre um grupo de elite de materiais considerados com um intervalo de banda ultra-amplo. Para comparação, ele excede largamente o silício (1,1 elétron-volts), o material mais comum na eletrônica de potência, bem como seus possíveis substitutos, como o carboneto de silício (3,4 elétron-volts) e o nitreto de gálio (cerca de 3,3 elétron-volts). Passivação Uma inovação importante no novo transístor gira em torno da passivação, que é um processo químico que envolve o revestimento do componente para reduzir a reatividade química da sua superfície. Para isso, Singisetti adicionou uma camada de SU-8, um polímero à base de epóxi comumente usado em microeletrônica. Simulações feitas pela equipe sugerem que o transístor possui uma força de campo de mais de 10 milhões de volts (ou 10 megavolts) por centímetro - a intensidade do campo mede a força de uma onda eletromagnética em um determinado ponto e, eventualmente, determina o tamanho e o peso dos sistemas eletrônicos de potência. "Essas forças de campo simuladas são impressionantes. No entanto, elas precisam ser verificadas por medições experimentais diretas," disse Singisetti, acrescentando que espera fazer isso logo após o fim da pandemia de covid-19. Fonte: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=transistor-suporta-8-000-volts&id=010110200624#.XvOc0sRKgdU
  6. Transístor de ponto quântico Os pontos quânticos que deram um impulso na qualidade da imagem das TVs prometem agora dar um impulso na capacidade e na velocidade de processamento dos computadores. Hyeong Yun e colegas do Laboratório Nacional Los Alamos e da Universidade da Califórnia criaram transistores de pontos quânticos totalmente funcionais e já demonstraram seu funcionamento em circuitos capazes de executar operações lógicas. Os primeiros transistores de pontos quânticos em materiais semicondutores foram construídos em 2004, mas até agora vinha sendo difícil produzir as duas versões desse componente necessárias para fazer computações: os transistores de tipo p (positivo) e de tipo n (negativo). Esses pares de transistores são complementares e são tão importantes que dão o nome à tecnologia mais tradicional da microeletrônica, a CMOS (sigla em inglês para semicondutor complementar de óxido metálico), que está na base dos processadores, chips de memória, sensores de imagem e demais dispositivos eletrônicos. Transistores do tipo p e n Hyeong Yun conseguiu justamente construir transistores p e n usando pontos quânticos de seleneto de índio-cobre (CuInSe2), livrando-se do problemático cádmio e outros metais pesados que normalmente entram na composição desses semicondutores, que funcionam como "poços de elétrons". A técnica permite definir transistores do tipo p e n aplicando dois tipos diferentes de contatos metálicos (ouro e índio, respectivamente) - na verdade, o transístor nasce quando uma camada de pontos quânticos comuns é aplicada no topo dos contatos pré-padronizados. "Esta abordagem permite a integração direta de um número arbitrário de transistores do tipo p e n complementares na mesma camada de pontos quânticos, preparada como um filme contínuo não padronizado por meio de espalhamento rotativo," contou o professor Victor Klimov. Como os dois tipos de transistores são construídos na mesma pastilha, isso permitiu à equipe usá-los para demonstrar circuitos eletrônicos totalmente funcionais. Eletrônica de pontos quânticos Desde seu nascimento, a microeletrônica tem-se baseado no silício de altíssima pureza, processado em ambientes de sala limpa especialmente criadas para isso. Recentemente, contudo, o silício tem sido desafiado por várias tecnologias alternativas - normalmente chamadas de tecnologias pós-silício - que permitem a fabricação de circuitos eletrônicos complexos fora de uma sala limpa, por meio de técnicas químicas mais baratas e acessíveis. Nanopartículas semicondutoras coloidais, produzidas com técnicas químicas em ambientes muito menos rigorosos são uma dessas tecnologias emergentes. Devido ao seu pequeno tamanho e propriedades exclusivas diretamente controladas pela mecânica quântica, essas partículas são chamadas de pontos quânticos. Um ponto quântico coloidal consiste em um núcleo semicondutor coberto por moléculas orgânicas. Como resultado dessa natureza híbrida, eles combinam as vantagens dos semicondutores tradicionais bem conhecidos com a versatilidade química dos sistemas moleculares. Essas propriedades são atraentes para a realização de novos tipos de circuitos eletrônicos flexíveis, que podem ser impressos em praticamente qualquer superfície, incluindo plástico, papel e até mesmo na pele humana. Essa capacidade pode beneficiar várias áreas, incluindo eletrônicos de consumo, segurança, sinalização digital e diagnósticos médicos. Bibliografia: Artigo: Solution-processable integrated CMOS circuits based on colloidal CuInSe2 quantum dots Autores: Hyeong Jin Yun, Jaehoon Lim, Jeongkyun Roh, Darren Chi Jin Neo, Matt Law, Victor I. Klimov Revista: Nature Communications Vol.: 11, Article number: 5280 DOI: 10.1038/s41467-020-18932-5 Fonte: Inovação Tecnológica https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=transistor-ponto-quantico&id=010110201113#.X6_KachKjcs

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