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[] Alguns Aspectos da Nanoeletrônica Molecular [A. Fazzio

Alguns Aspectos da Nanoeletrônica Molecular
A. Fazzio

Instituto de Física, Universidade de São Paulo, São Paulo, SP

“Transistor for all — Anyone who wants a junction transistor now can buy it. The arrival of this revolutionary substitute for the vacuum tube on the general commercial market was announced last month   The competitive rush to market it has now begun. One distributor quoted a price of $ 30 for a transistor”

Scientific American

June-1952

Transistor

Dentre as invenções ocorridas no século XX, não há dúvidas de que a protagonizada por Bardeen, Brattain e Schockley, em 1948, foi a que mais influenciou a nossa maneira de viver: a invenção do transistor [1]. Esse trabalho, que lhes conferiu posteriormente o prêmio Nobel de Física, foi realizado no laboratório da Bell Telephone Company e não teve uma patente registrada. O transistor bipolar tornava-se o elemento ideal para uma lógica binária “off-on” de computadores. Após a invenção do transistor seguiram-se importantes trabalhos de engenharia para o seu aprimoramento, que até hoje fazem parte da nossa microeletrônica. Em 1952, o engenheiro britânico G.W.A. Drummer observou que era desnecessário fabricar todos os ingredientes do circuito eletrônico. O circuito poderia ter dimensões menores se o transistor, o resistor e o capacitor estivessem no mesmo pedaço do semicondutor. É o que chamamos de circuito integrado. Na época havia muitas dificuldades técnicas para esta realização. Foi em 1959 que o engenheiro americano Jack Kilby (prêmio Nobel de Física em 2003), que trabalhava na Texas Instruments, tornou realidade as idéias de Drummer.

No início dos anos 60 começava a produção em massa de circuitos integrados utilizando o transistor bipolar. E foi também no começo da mesma década que ocorreu uma outra importante invenção: a fabricação de um novo tipo de transistor, que poderia ser mais facilmente incorporado na produção dos “chips”, o transistor de efeito de campo, MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor), inventado por Steven Hofstein e Frederic Heiman, pesquisadores da empresa RCA.

A engenharia da fabricação de circuitos integrados avançou de forma extraordinária, o que pode ser observado pela evolução no desempenho dos computadores. Na figura ? apresento, de forma bastante esquemática, os elementos básicos de um MOSFET.

Figura 1

A voltagem no gate (V) é utilizada para controlar a densidade de elétrons no canal, determinando a corrente que flui da fonte ao dreno, quando há uma voltagem (V) aplicada entre eles. Na figura a espessura da camada isolante (SiO) e o comprimento do canal por “L”. Há mais de três décadas o engenheiro Gordon Moore previu que a densidade de transistores em um chip duplicaria a cada 18 meses. Essa fantástica taxa de crescimento vem ocorrendo e é conhecida popularmente como “Lei de Moore”. O principal fator para o aumento na velocidade com que um computador executa uma operação é a redução do tamanho do transistor. Com isso, um maior número de transistores é colocado em um único chip. Hoje temos aproximadamente 60 milhões de transistores em um chip. A verificação de Moore foi observar que a dimensão linear do transistor se reduziria  em cada nova tecnologia. Conseqüentemente, a área diminuiria com um fator de 2 e, portanto, 2 vezes mais transistores seriam colocados em um chip. Hoje já são produzidos transistores com canais (L) de  50 nm e espessura do óxido de silício (d) de   3 nm. Essa miniaturização alcançará os limites impostos pelas leis da física em, no máximo, duas décadas.

O grande desafio na engenharia da eletrônica digital é o desenvolvimento de tecnologias para obter o limite-de-escala do transistor de silício. Vários são os problemas enfrentados na miniaturização:  i) o calor gerado nas operações é difícil de ser dissipado;  ii) processos quânticos como tunelamento de cargas podem adquirir proporções incontroláveis;  iii) processos litográficos têm que ser resolvidos;  iv) e não podemos esquecer o custo financeiro para a construção de uma fábrica, o que poderá aumentar o preço do transistor e não diminuir, como acontece atualmente. Enfim, sabemos que, dentro do paradigma da atual arquitetura, os chips em breve não mais evoluirão e a Lei de Moore será esquecida.

Mais informaes

[1]  The Solid-State Century, Scientific American, Special issue (1997).

 
 
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