Los nanocircuitos son circuitos eléctricos que operan a escala nanométrica. Esto está en el reino cuántico , donde los efectos de la mecánica cuántica se vuelven muy importantes. Un nanómetro es igual a 10 −9 metros o una fila de 10 átomos de hidrógeno. Con estos circuitos cada vez más pequeños, se pueden instalar más en un chip de computadora. Esto permite funciones más rápidas y complejas usando menos energía. Los nanocircuitos se componen de tres componentes fundamentales diferentes. Estos son transistores , interconexiones y arquitectura , todos fabricados a escala nanométrica.
Varios enfoques de los nanocircuitos.
Se han hecho una variedad de propuestas para implementar nanocircuitos en diferentes formas. Estos incluyen nanocables , transistores de un solo electrón , autómatas celulares de puntos cuánticos y pestillos de barra transversal a nanoescala . Sin embargo, los enfoques probables a corto plazo implicarán la incorporación de nanomateriales para mejorar los MOSFET (transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico). Actualmente, estos forman la base de la mayoría de los diseños de circuitos analógicos y digitales, cuya escala impulsa la Ley de Moore . Un artículo de revisión [1] que cubre el diseño de MOSFET y su futuro se publicó en 2004 comparando diferentes geometrías de MOSFET bajo reducción de escala y señaló que los FET de canal vertical de sección transversal circular son óptimos para la reducción de escala. Esta configuración es capaz de ser implementada con una alta densidad utilizando canales cilíndricos semiconductores verticales con diámetros a nanoescala e Infineon Technologies y Samsung han comenzado la investigación y el desarrollo en esta dirección dando como resultado algunas patentes básicas [2] [3] utilizando nanocables y nanotubos de carbono en MOSFET diseños. En un enfoque alternativo, [4] Nanosys utiliza procesos de alineación y deposición basados en soluciones para modelar matrices prefabricadas de nanocables en un sustrato para que sirvan como canal lateral de un FET. Si bien no es capaz de la misma escalabilidad que los FET de un solo nanocable, el uso de múltiples nanocables prefabricados para el canal aumenta la confiabilidad y reduce los costos de producción, ya que se pueden usar procesos de impresión de gran volumen para depositar los nanocables a una temperatura más baja que los procedimientos de fabricación convencionales. Además, debido a la deposición a temperatura más baja, se puede usar una variedad más amplia de materiales, como polímeros, como sustrato portador para los transistores que abren la puerta a aplicaciones electrónicas flexibles como papel electrónico, pantallas planas flexibles y células solares de área amplia.
Métodos de producción
Uno de los conceptos más fundamentales para comprender los nanocircuitos es la formulación de la Ley de Moore . Este concepto surgió cuando el cofundador de Intel, Gordon Moore, se interesó en el costo de los transistores y trató de encajar más en un chip. Relata que la cantidad de transistores que se pueden fabricar en un circuito integrado de silicio y, por lo tanto, las capacidades informáticas de dicho circuito, se duplica cada 18 a 24 meses. [5] Cuantos más transistores caben en un circuito, más capacidades computacionales tendrá la computadora. Esta es la razón por la que científicos e ingenieros están trabajando juntos para producir estos nanocircuitos, de modo que cada vez más y más transistores puedan caber en un chip. A pesar de lo bien que esto pueda parecer, hay muchos problemas que surgen cuando se empaquetan tantos transistores. Dado que los circuitos son tan pequeños, tienden a tener más problemas que los circuitos más grandes, más particularmente el calor: la cantidad de energía aplicada sobre un área de superficie más pequeña dificulta la disipación del calor, este exceso de calor causará errores y puede destruir el chip. Los circuitos a nanoescala son más sensibles a los cambios de temperatura, los rayos cósmicos y las interferencias electromagnéticas que los circuitos actuales. [6] A medida que se empaquetan más transistores en un chip, se detendrán fenómenos como las señales parásitas en el chip, la necesidad de disipar el calor de tantos dispositivos empaquetados, los túneles a través de las barreras de aislamiento debido a la pequeña escala y las dificultades de fabricación. Progreso muy lento. [7] Habrá un momento en que el costo de hacer circuitos aún más pequeños será demasiado y la velocidad de las computadoras alcanzará un máximo. Por esta razón, muchos científicos creen que la ley de Moore no se mantendrá para siempre y pronto alcanzará su punto máximo, ya que la ley de Moore se basa en gran medida en las ganancias computacionales causadas por las mejoras en las tecnologías de grabado micro-litográfico.
En la producción de estos nanocircuitos, hay muchos aspectos involucrados. La primera parte de su organización comienza con transistores. En este momento, la mayoría de los dispositivos electrónicos utilizan transistores basados en silicio. Los transistores son una parte integral de los circuitos, ya que controlan el flujo de electricidad y transforman las señales eléctricas débiles en fuertes. También controlan la corriente eléctrica, ya que pueden apagarla o incluso amplificar señales. Los circuitos ahora usan silicio como transistor porque se puede cambiar fácilmente entre estados conductores y no conductores. Sin embargo, en nanoelectrónica , los transistores pueden ser moléculas orgánicas o estructuras inorgánicas a nanoescala. [8] Los semiconductores , que son parte de los transistores, también están hechos de moléculas orgánicas en estado nano.
El segundo aspecto de la organización de nanocircuitos es la interconexión. Esto involucra operaciones lógicas y matemáticas y los cables que unen los transistores juntos lo hacen posible. En los nanocircuitos, se utilizan nanotubos y otros cables tan estrechos como un nanómetro para conectar los transistores. Los nanocables se han fabricado a partir de nanotubos de carbono durante algunos años. Hasta hace unos años, los transistores y los nanocables se unían para producir el circuito. Sin embargo, los científicos han podido producir un nanocable con transistores. En 2004, el pionero de la nanotecnología de la Universidad de Harvard, Charles Lieber, y su equipo fabricaron un nanoalambre, 10.000 veces más delgado que una hoja de papel, que contiene una cadena de transistores. [9] Esencialmente, los transistores y nanocables ya están precableados para eliminar la difícil tarea de intentar conectar transistores junto con nanocables.
La última parte de la organización de los nanocircuitos es la arquitectura. Esto se ha explicado como la forma general en que los transistores están interconectados, de modo que el circuito se puede conectar a una computadora u otro sistema y operar independientemente de los detalles de nivel inferior. [10] Dado que los nanocircuitos son tan pequeños, están destinados a errores y defectos. Los científicos han ideado una forma de evitar esto. Su arquitectura combina circuitos que tienen puertas lógicas e interconexiones redundantes con la capacidad de reconfigurar estructuras en varios niveles en un chip. [11] La redundancia permite que el circuito identifique problemas y se reconfigure para que el circuito pueda evitar más problemas. También permite errores dentro de la puerta lógica y aún así funciona correctamente sin dar un resultado incorrecto.
Avances experimentales y aplicaciones potenciales
En 1960, el ingeniero egipcio Mohamed Atalla y el ingeniero coreano Dawon Kahng de Bell Labs fabricaron el primer MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico) con un espesor de óxido de puerta de 100 nm , junto con una longitud de puerta de 20 µm . [12] En 1962, Atalla y Kahng fabricaron una nanocapa -base de unión de metal-semiconductor (M-S unión) transistor que usado oro (Au) películas delgadas con un espesor de 10 nm . [13]
En 1987, el ingeniero iraní Bijan Davari dirigió un equipo de investigación de IBM que demostró el primer MOSFET con un espesor de óxido de puerta de 10 nm , utilizando tecnología de puerta de tungsteno . [14] Los MOSFET de compuerta múltiple permitieron escalar por debajo de 20 nm de longitud de compuerta, comenzando con el FinFET (transistor de efecto de campo de aleta), un MOSFET tridimensional, no plano y de doble compuerta. [15] El FinFET se origina en la investigación de Digh Hisamoto en el Laboratorio Central de Investigación de Hitachi en 1989. [16] [17] [18] [19] En UC Berkeley , los dispositivos FinFET fueron fabricados por un grupo formado por Hisamoto junto con TSMC ' s Chenming Hu y otros investigadores internacionales como Tsu-Jae King Liu , Jeffrey Bokor, Hideki Takeuchi, K. Asano, Jakub Kedziersk, Xuejue Huang, Leland Chang, Nick Lindert, Shibly Ahmed y Cyrus Tabery. El equipo fabricó dispositivos FinFET hasta un proceso de 17 nm en 1998, y luego 15 nm en 2001. En 2002, un equipo que incluía a Yu, Chang, Ahmed, Hu, Liu, Bokor y Tabery fabricó un dispositivo FinFET de 10 nm . [15]
En 2005, los físicos indios Prabhakar Bandaru y Apparao M. Rao de la Universidad de California en San Diego desarrollaron el transistor más pequeño del mundo basado en estar hecho completamente de nanotubos de carbono . Estaba destinado a ser utilizado en nanocircuitos. Los nanotubos son láminas enrolladas de átomos de carbono y son mil veces más delgadas que el cabello humano. [20] En 2006, un equipo de investigadores coreanos del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST) y el Centro Nacional Nano Fab desarrollaron un MOSFET de 3 nm , el dispositivo nanoelectrónico más pequeño del mundo , basado en gate-all-around (GAA ) Tecnología FinFET. [21] [22]
Normalmente, los circuitos usan transistores basados en silicio , pero los nanotubos de carbono están destinados a reemplazarlos. El transistor tiene dos ramas diferentes que se encuentran en un solo punto, lo que le da una forma de Y. La corriente puede fluir a través de ambas ramas y está controlada por una tercera rama que enciende o apaga el voltaje. Este nuevo avance ahora puede permitir que los nanocircuitos mantengan completamente su nombre, ya que pueden estar hechos completamente de nanotubos. Antes de este descubrimiento, los circuitos lógicos usaban nanotubos, pero necesitaban puertas metálicas para poder controlar el flujo de corriente eléctrica .
Podría decirse que la mayor aplicación potencial de los nanocircuitos se relaciona con las computadoras y la electrónica. Los científicos e ingenieros siempre buscan hacer computadoras más rápidas. Algunos piensan que en un término más cercano, podríamos ver híbridos de micro y nano silicio con un nano núcleo, quizás una memoria de computadora de alta densidad que retiene su contenido para siempre. [23] A diferencia del diseño de circuitos convencionales, que va desde el plano hasta el patrón fotográfico y el chip, el diseño de nanocircuitos probablemente comenzará con el chip (una mezcla aleatoria de hasta 1024 componentes y cables, no todos los cuales funcionarán) y esculpirá gradualmente en un dispositivo útil. [24] En lugar de adoptar el enfoque tradicional de arriba hacia abajo , probablemente pronto tendrá que adoptarse el enfoque de abajo hacia arriba debido al gran tamaño de estos nanocircuitos. No todo en el circuito probablemente funcionará porque a nivel nano, los nanocircuitos serán más defectuosos y defectuosos debido a su compacidad. Los científicos e ingenieros han creado todos los componentes esenciales de los nanocircuitos, como transistores, puertas lógicas y diodos. Todos han sido construidos a partir de moléculas orgánicas , nanotubos de carbono y semiconductores de nanocables. Lo único que queda por hacer es encontrar una manera de eliminar los errores que vienen con un dispositivo tan pequeño y los nanocircuitos se convertirán en una forma de toda la electrónica. Sin embargo, eventualmente habrá un límite en cuanto a cuán pequeños pueden convertirse los nanocircuitos y las computadoras y la electrónica alcanzarán sus velocidades de equilibrio.
Ver también
- Ley de Moore
- Nanotecnología
- Historia de la nanotecnología
- Lista de aplicaciones de la nanotecnología
- Implicaciones de la nanotecnología
Referencias
- ^ Colinge, J., MOSFET SOI de múltiples puertas, Electrónica de estado sólido 48, 2004
- ^ Patente de Estados Unidos 6.740.910
- ^ Patente de Estados Unidos 6.566.704
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