Transistor IBM Demos diseñado para refrigeración con nitrógeno líquido

El nitrógeno líquido hierve a sólo 77 Kelvin (-196 °C). Enfriar los componentes electrónicos a esta temperatura helada podría mejorar el rendimiento, pero los transistores actuales no están diseñados teniendo en cuenta las temperaturas criogénicas. En la Reunión Internacional de Dispositivos Electrónicos (IEDM) IEEE 2023, celebrada en San Francisco a principios de diciembre, los investigadores de IBM demostraron el primer transistor CMOS avanzado optimizado para refrigeración con nitrógeno líquido.

Los transistores nanosheet dividen el canal en una pila de finas láminas de silicio, que están completamente rodeadas por la puerta. «La arquitectura de los dispositivos Nanosheet nos permite colocar 50 mil millones de transistores en un espacio del tamaño de una uña», dice Ruqiang Bao, investigador principal de IBM. Los transistores están preparados para reemplazar la tecnología FinFET actual y se utilizan en el primer prototipo de procesador de 2 nanómetros de IBM. La tecnología Nanosheet es el siguiente paso hacia la reducción del tamaño de los dispositivos lógicos; Combinar la tecnología con refrigeración con nitrógeno líquido podría conducir a un rendimiento aún mejor.

Los investigadores descubrieron que operar a 77 K duplicaba el rendimiento del dispositivo, en comparación con operar a una temperatura ambiente de aproximadamente 300 K. Los sistemas de baja temperatura, dice Bao, ofrecen dos ventajas clave: menos dispersión de los portadores de carga y menos energía. La reducción de las fugas reduce la resistencia en los cables y permite que los electrones se muevan más rápidamente a través del dispositivo. Combinados con una potencia más baja, los dispositivos pueden generar una corriente más alta a un voltaje determinado.

Enfriar el transistor a 77K también proporciona una mayor sensibilidad entre las posiciones «encendido» y «apagado» del dispositivo, con menos variación en el voltaje necesario para cambiar entre estados. Esto puede reducir significativamente el consumo de energía. Reducir la fuente de alimentación, a su vez, podría ayudar a reducir el tamaño del chip al reducir el ancho del transistor. Sin embargo, el voltaje umbral de un transistor (el voltaje necesario para crear un canal conductor entre la fuente y el drenaje o para cambiar a la posición «encendido») aumenta a medida que disminuye la temperatura, lo que presenta un desafío clave.

Es difícil reducir el voltaje umbral con la tecnología de fabricación actual, por lo que los investigadores de IBM optaron por un nuevo enfoque que integra dos puertas metálicas diferentes y dipolos dobles. Las tecnologías CMOS se componen de pares de No-tipo e PAG-tipo transistor dopado con donadores y aceptores de electrones respectivamente. Los investigadores diseñaron sus chips CMOS para formar dipolos en la interfaz de ambos. No– Y PAG-Transistores tipo añadiendo diferentes impurezas metálicas a cada uno. La adición reduce la energía necesaria para mover electrones a través del borde de la banda, lo que hace que los transistores sean más eficientes.

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