7.7: ¿El futuro de la electrónica?

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El camino inmediato es claro: aún no hemos alcanzado los límites del escalado, ni los límites fundamentales de los transistores de efecto de campo. La industria electrónica empujará a escalas de menor longitud para minimizar el producto de retardo de potencia. También buscará explotar la conducción balística en materiales de baja dimensión, aumentando así las velocidades de conmutación.

Es realista esperar que un MOSFET futuro pueda poseer:

transporte balístico y operación en el límite cuántico de la conductancia
encendido y apagado en la pendiente óptima del subumbral del FET de Kt/Q
escala de todas las dimensiones con un espesor de aislador de puerta de ~ 1 nanómetro

Tradicionalmente, se han dedicado importantes esfuerzos de desarrollo de materiales a mejorar la movilidad de los canales de transistores. Pero debido a que los dispositivos ya están en el límite balístico, el diseño electrostático de los nanotransistores será un foco probable del desarrollo de materiales. Hemos visto que se puede lograr un buen control electrostático del canal maximizando la capacitancia de la puerta. Por ejemplo, con un canal de nanocables, la puerta podría implementarse como un anillo concéntrico. O un canal que consiste en una sola capa atómica (como una lámina de grafema) podría ser preferible desde el punto de vista electrostático a una capa más gruesa de silicio, aunque ambas operarán en el límite balístico. La fabricación de tales estructuras avanzadas puede requerir una cantidad sustancial de desarrollo adicional.

Más allá de esto, parece haber solo una debilidad importante de las tecnologías FET convencionales. Existe una fuerte posibilidad de que las nuevas tecnologías demuestren una pendiente subumbral muy superior a Kt/q. Como hemos visto, esto permitirá reducciones drásticas en el voltaje de operación y, por lo tanto, una disipación de potencia significativamente menor.

Desde un punto de vista fundamental, todos los transistores que operan en equilibrio termodinámico, deben exhibir una diferencia de energía entre sus estados ON y OFF. Por ejemplo, la diferencia de energía potencial entre los estados ON y OFF de un FET es\(\Delta E = \frac{1}{2}CV^{2}\), que también se puede expresar como\(\Delta E = \frac{1}{2}QV\), donde Q es la carga total en el condensador de puerta y V es la tensión de alimentación. El límite fundamental en la corriente del estado OFF es la probabilidad de excitación térmica desde el estado OFF al estado ON. Es decir:

\[ I_{OFF} = I_{ON}\exp \left[-\frac{1}{2}QV/kT \right] \label{7.7.1} \]

donde\(I_{ON}\) es la corriente máxima asociada con el estado ON. Pero como hemos visto, los FET modernos no operan en este límite porque cada electrón en el canal es independiente. A diferencia de la Ecuación\ ref {7.7.1}, el FET sigue:

\[ I_{OFF} = I_{ON}\exp \left[-qV/kT \right] \label{7.7.2} \]

A excepción de un FET que opera con un solo electrón en el canal, la diferencia es sustancial: una pendiente subumbral de Kt/Q versus Kt/Q. En efecto, en la actualidad dimensiones del transistor\(Q \gg 10^{3}q\).