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Os transistores existem há mais de 70 anos e têm sido um componente básico em muitos sistemas eletrônicos. Eles não teriam seu poder de computação atual se não fosse por seu desenvolvimento e melhoria contínuos. No entanto, acredita-se que este desenvolvimento pode enfrentar um limite na quantidade de transistores integrados, por meio de abordagens top-down com base na Lei de Moore, que observa que o número de transistores em um circuito integrado dobra a cada dois anos.
Portanto, uma abordagem alternativa é torná-los menores – construir transistores nanométricos, átomo por átomo, por meio de métodos bottom-up. Essas abordagens permitem que transistores sejam criados com nanodimensionamento e, como os nanomateriais são materiais muito eficientes, ou seja, são criados transistores pequenos e eficazes.
A necessidade de aprimoramento nos transistores
A necessidade de inovação constante para aumentar o desempenho dos dispositivos eletrônicos, juntamente com a redução simultânea de seu tamanho, significa que muitos componentes tiveram que ser feitos por métodos de fabricação mais avançados e também utilizando materiais avançados. Em algumas aplicações, o fato de existirem transistores menores significa que mais deles podem caber em uma determinada área, amplificando o sinal eletrônico do dispositivo, tornando-o mais eficaz. Em comparação com outras abordagens, o conceito de, simplesmente, miniaturizar transistores para obter melhor e mais desempenho é mais simples, mas implementá-lo na prática é muito mais desafiador.
Não há muitas maneiras de atingir níveis tão altos de miniaturização e melhoria de desempenho. No entanto, uma forma que se mostrou muito promissora são os nanomateriais – embora ainda estejam no início de uma perspectiva comercial. As excelentes propriedades eletrônicas, capacidade de resposta, capacidade de interagir com outros sistemas, alta estabilidade (incluindo estabilidade térmica) e seu pequeno tamanho inerente significaram que os nanomateriais se tornaram uma excelente escolha para construir a próxima geração de transistores. Além disso, os métodos de nanofabricação bottom-up disponíveis hoje em dia significam que muitos desses pequenos transistores podem ser criados e integrados em chips e placas de circuito.
Do ponto de vista comercial, essas abordagens ainda não são adequadas para todas as aplicações. Mas à medida que o custo e a facilidade de fabricação continuam a melhorar, os transistores nanométricos se tornarão viáveis para muitas outras aplicações. Abaixo, vemos alguns exemplos importantes em que os transistores nanométricos já estão começando a ter impacto.
Aplicações inspiradas em transistores feitos com Nanotecnologia
Vários tipos de transistores foram criados usando nanomateriais. No entanto, o transistor de efeito de campo (FET) é frequentemente visto por causa de sua versatilidade e compatibilidade com dispositivos que começaram a usar nanomateriais em seu projeto principal. Um exemplo importante são os sensores. Embora os nanosensores não precisem ser baseados em transistores, muitos deles são (e muitos deles agem como transistores de efeito de campo) porque as propriedades elétricas e de superfície dos nanomateriais significam que suas propriedades eletrônicas são alteradas quando uma molécula se liga (detecção molecular) ou quando há uma mudança no ambiente local (temperatura, umidade, etc.) ou há indução no dreno.
A interação com sensores baseados em FET feitos com nanomateriais e o alvo de interesse altera o sinal elétrico, que corresponde a uma saída legível. Como os nanomateriais usados em aplicações de sensores FET têm alta condutividade elétrica e mobilidades de portadores de carga, a resposta de detecção é frequentemente muito melhor do que outros sensores baseados em FET. Um exemplo comum que se mostra muito promissor é o grafeno, especialmente por sua versatilidade e propriedades elétricas e FETs baseados em grafeno foram desenvolvidos para várias aplicações – incluindo aplicações muito específicas, como a detecção de cepas virais de SARS-CoV-2 durante o COVID-19 surto. As melhorias feitas em termos de sensibilidade e tamanho desses sensores, significa que o impacto da nanotecnologia nessas aplicações tem sido grande até agora.
Outro exemplo importante são as placas de circuito, e o tamanho dos transistores baseados em nanomateriais desempenha um papel significativo para este fim. As placas de circuito e os componentes de processamento dos computadores dependem muito dos transistores para alterar e amplificar os sinais eletrônicos. Quanto mais transistores por unidade de área em um chip em um processador, mais rápido ele é – o que leva a um aumento geral no desempenho e na capacidade de computação. A capacidade de criar transistores nanométricos significa que mais transistores podem ser integrados por área, melhorando o desempenho do chip – especialmente quando os nanomateriais usados são altamente condutores, como nanotubos de carbono (CNTs). Como eles podem ser construídos a partir do zero, átomo por átomo, conseguem ser integrados em chips de uma maneira personalizada para serem compatíveis com a arquitetura usual do chip e os diferentes componentes de um dispositivo.
Conclusão
Os desenvolvedores têm trabalhado para criar transistores que não sejam apenas mais eficazes na amplificação e alteração de um sinal eletrônico, mas também transistores menores que os comuns. Nessa escala de nanoeletrônica, não há muitos materiais que atendam a esses dois aspectos, mas os nanomateriais têm sido uma opção promissora. As propriedades eletrônicas e o tamanho miniatura inerente, juntamente com a estabilidade dos nanomateriais, permitiram que transistores mais avançados e menores fossem criados. O foco aqui tem sido em algumas das áreas de aplicação mais proeminentes, comercialmente viáveis e úteis – como sensores FET, chips de circuito integrado (CIs) e placas de circuito. Mas muitas outras aplicações estão sendo examinadas nas quais os semicondutores da nanotecnologia podem se tornar uma realidade comercial no futuro.
Fonte da imagem de destaque: BONDART PHOTOGRAPHY/Shutterstock.com
Artigo escrito originalmente por Liam Critchley para o blog da Mouser Electronics: How Nanotechnology Has Impacted Transistors
Traduzido por Equipe Embarcados.
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