QFET

Un transistor de efecto de campo cuántico ( QFET ) o transistor de efecto de campo de pozo cuántico ( QWFET ) es un tipo de MOSFET ( transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor ) ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} que aprovecha el efecto túnel cuántico para aumentar considerablemente la velocidad de operación del transistor al eliminar el área de conducción de electrones del transistor tradicional, que normalmente provoca que los portadores se ralenticen en un factor de 3000. El resultado es un aumento en la velocidad lógica en un factor de 10 con una reducción simultánea en el consumo de energía y el tamaño del componente también en un factor de 10. Esto se logra mediante un proceso de fabricación conocido como procesamiento térmico rápido (RTP) que utiliza capas ultrafinas de materiales de construcción. ^{[ 4 ]}

Las siglas "QFET" también existen actualmente como nombre comercial de una serie de MOSFET producidos por Fairchild Semiconductor (recopilados en noviembre de 2015) que contienen una tecnología patentada de semiconductor de óxido metálico de doble difusión (DMOS), pero que, de hecho, no se basan en la mecánica cuántica (la Q en este caso significa "calidad").

Los ejemplos modernos de transistores de efecto de campo cuántico integran estructuras tradicionales de los MOSFET convencionales y utilizan muchos de los mismos materiales. ^{[ 5 ]} Los transistores MOSFET constan de materiales dieléctricos, como SiO ₂ , y compuertas metálicas. ^{[ 6 ]} Las compuertas metálicas están aisladas de la capa dieléctrica de la compuerta , lo que produce una resistencia de entrada muy alta. ^{[ 7 ]} Con tres terminales, la fuente (o entrada), el drenador (o salida) y la compuerta, los MOSFET pueden controlar el flujo de corriente mediante una tensión aplicada (o su ausencia) al terminal de la compuerta, lo que altera la barrera de potencial entre las capas y habilita (o deshabilita) el flujo de carga. ^{[ 8 ]}

Los terminales de fuente y drenaje están conectados a las regiones dopadas del MOSFET, aisladas por la región del cuerpo. Estas regiones son de tipo p o n, y ambos terminales son del mismo tipo y opuestos al tipo del cuerpo. Si el MOSFET es de canal n, tanto la región de fuente como la de drenaje son n + y el cuerpo es una región p . Si el MOSFET es de canal p, tanto la región de fuente como la de drenaje son p + y el cuerpo es una región n . En un MOSFET de canal n, los electrones transportan la carga a través de la región de fuente, y en un MOSFET de canal p, los huecos transportan las cargas en la fuente.

Las estructuras FET se construyen típicamente de forma gradual, capa por capa, utilizando diversas técnicas como la epitaxia de haces moleculares, la epitaxia en fase líquida y la epitaxia en fase de vapor, un ejemplo de la deposición química en fase de vapor . ^{[ 9 ]} Los MOSFET típicos se construyen a escala micrométrica. El grabado químico húmedo se puede utilizar para crear capas de 3 μm de espesor o mayores, mientras que las técnicas de grabado seco se pueden utilizar para obtener capas a escala nanométrica. ^{[ 10 ]} Cuando el espesor de la capa se aproxima a 50 nanómetros o menos, la longitud de onda de De Broglie de la capa se aproxima a la de un electrón termalizado, y las relaciones convencionales de energía-momento para semiconductores masivos dejan de ser operativas. ^{[ 9 ]}

Las capas semiconductoras ultrafinas se utilizan en la producción de QFET, cuyas brechas de banda son menores que las de los materiales circundantes. En el caso de un QFET de pozo cuántico unidimensional, se cultiva una capa semiconductora a nanoescala entre dos capas aislantes. La capa semiconductora tiene un espesor d , y los portadores de carga de electrones quedan atrapados en un pozo de potencial. Estos electrones, y sus correspondientes huecos, tienen niveles de energía discretos que se obtienen resolviendo la ecuación de Schrödinger independiente del tiempo , como se muestra:

${\displaystyle E_{q}={\hbar ^{2}(q\pi /d)^{2} \over 2m},q=1,2,3,...}$

Los portadores de carga pueden activarse (o desactivarse) aplicando un potencial al terminal de puerta que coincida con un nivel de energía correspondiente. Estos niveles de energía dependen del espesor de la capa semiconductora y de las propiedades del material. Un semiconductor prometedor para la implementación de QFET, el InGaAs , tiene una longitud de onda de De Broglie de alrededor de 50 nanómetros. Se pueden lograr mayores brechas entre niveles de energía reduciendo el espesor d de la capa. En el caso del InGaAs, se han logrado longitudes de capa de alrededor de 20 nanómetros. ^{[ 11 ]} En la práctica, se producen pozos cuánticos tridimensionales, con dimensiones del plano de la capa, d ₂ y d ₃ , mucho mayores en tamaño relativo. La relación energía-momento del electrón correspondiente se describe mediante

${\displaystyle E=E_{c}+{\hbar ^{2}k_{1}^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{2}^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{3}^{2} \over 2m_{c}}}$.

Los valores k en esta relación corresponden a${\displaystyle {q_{1}\pi \over d_{1}},{q_{2}\pi \over d_{2}},}$y${\displaystyle {q_{3}\pi \over d_{3}}}$, que son las magnitudes de los vectores de onda en cada dimensión.

Los QFET orquestados con nanocables cuánticos confinan de manera similar los portadores de carga de electrones en un pozo de potencial, pero la naturaleza de su forma geométrica estrecha permite al fabricante atrapar los electrones en dos dimensiones. ^{[ 12 ]} Los nanocables cuánticos son esencialmente canales en un sistema 1D, lo que proporciona un confinamiento de portadores más estricto y un flujo de corriente predecible. ^{[ 9 ] [ 13 ]}

Los MOSFET tradicionales, construidos con una capa de dióxido de silicio sobre un sustrato de silicio, funcionan creando una unión pn polarizada , que puede polarizarse en directa o inversamente en presencia de un voltaje aplicado positivo o negativo, respectivamente. ^{[ 9 ]} En efecto, la aplicación de un voltaje reduce la altura de la barrera de potencial entre las regiones p y n y permite que la carga fluya en forma de "huecos" con carga positiva y electrones con carga negativa.

Los transistores QFET de unión simple utilizan el efecto túnel cuántico para aumentar la velocidad eliminando la zona de conducción electrónica, lo que ralentiza los portadores de carga hasta 3000 veces.

El comportamiento de los bloques de construcción de los QFET se puede describir mediante las leyes de la mecánica cuántica . En las estructuras semiconductoras con confinamiento cuántico, la presencia de portadores de carga (huecos y electrones) se cuantifica mediante la densidad de estados . ^{[ 9 ]} Para el caso del pozo cuántico tridimensional, a menudo construido como una capa plana de espesor entre 2  nm y 20  nm, la densidad de estados${\displaystyle \rho _{c}(E)}$se obtiene a partir de un vector bidimensional${\displaystyle (k_{2}={q_{2}\pi \over d_{2}},k_{3}={q_{3}\pi \over d_{3}})}$, que corresponde al área en el plano de la capa. Desde el${\displaystyle E-k}$relación,

${\displaystyle E=E_{c}+{\hbar ^{2}k_{1}^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{2}^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{3}^{2} \over 2m_{c}}}$, es posible demostrar que${\displaystyle {dE \over dk}=\hbar ^{2}k/m_{c}}$y por lo tanto

${\displaystyle \rho _{c}(E)={\begin{cases}{m_{c} \over \pi \hbar ^{2}d_{1}},\\0,\end{cases}}q_{1}=1,2,3,....}$^{[ 9 ]}

De manera similar, la energía de los nanocables unidimensionales se describe mediante vectores de onda, sin embargo, debido a su geometría, solo un vector k ,${\displaystyle k_{z}}$, es necesario para modelar la energía cinética del movimiento libre a lo largo del eje del alambre:

${\displaystyle E(k_{z})={\hbar ^{2}k_{z}^{2} \over 2m_{c}}}$^{[ 13 ]}

Se puede utilizar un modelo energético más preciso para cuantificar la energía de los electrones confinados en dos dimensiones. Se puede suponer que el cable tiene una sección transversal rectangular de d ₁ d ₂ , lo que da lugar a una nueva relación energía-momento:

${\displaystyle E=E_{c}+{\hbar ^{2}(q_{1}\pi /d_{1})^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}(q_{2}\pi /d_{2})^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k^{2} \over 2m_{c}}}$donde k es la componente vectorial a lo largo del eje del cable.

Los nanocables cuánticos bidimensionales también pueden tener forma cilíndrica, con diámetros comunes que rondan los 20  nm. ^{[ 14 ]}

En el caso de los puntos cuánticos, que están confinados a una sola dimensión, la energía se cuantiza aún más:

${\displaystyle E=E_{c}+{\hbar ^{2}(q_{1}\pi /d_{1})^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}(q_{2}\pi /d_{2})^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}(q_{3}\pi /d_{3})^{2} \over 2m_{c}}}$.

Las propiedades geométricas de los puntos cuánticos varían, pero las partículas típicas de puntos cuánticos tienen dimensiones que oscilan entre 1  nm y 50  nm. A medida que el movimiento de los electrones se restringe aún más con cada cuantización dimensional sucesiva, las subbandas de las bandas de conducción y de valencia se estrechan.

Todos los semiconductores tienen una estructura de banda de conducción y de valencia única. En los semiconductores de banda prohibida directa , las energías mínima de la banda de conducción y máxima de la banda de valencia ocurren en el mismo número de onda k , correspondiente al mismo momento. ^{[ 15 ] [ 9 ]} Los QFET con estructuras de pozo cuántico tienen bandas de conducción que se dividen en numerosas subbandas, que corresponden a sus números cuánticos apropiados q = 1, 2, 3,... y ofrecen una mayor densidad de estados en sus niveles de energía de banda de conducción más bajos permitidos y banda de valencia más altos permitidos que los MOSFET, lo que conduce a propiedades interesantes, particularmente en sus características ópticas y aplicaciones. Para los dispositivos de pozo cuántico utilizados en diodos láser , los fotones interactúan con electrones y huecos a través de transiciones entre las bandas de valencia y de conducción. Las transiciones de las interacciones de fotones en semiconductores de pozo cuántico están regidas por las brechas de energía entre subbandas, a diferencia de la brecha de energía general de los semiconductores clásicos.

El diseño conceptual de un transistor de efecto de campo (FET) fue formulado por primera vez en 1930 por J. E. Lilienfeld. ^{[ 16 ]} Desde la aparición del primer FET de silicio 30 años después, la industria electrónica ha experimentado un rápido y predecible crecimiento exponencial tanto en la densidad de transistores como en la capacidad de procesamiento de información. Este fenómeno, conocido como la Ley de Moore , se refiere a la observación de que el número de transistores que se pueden colocar en un circuito integrado se duplica aproximadamente cada dos años.

Los transistores cuánticos de alta velocidad (QFET) se diseñaron para superar la tecnología de 0,2 μm, considerada el límite práctico de la tecnología de semiconductores convencional. Los QFET aumentan la velocidad lógica en un factor de diez y reducen los requisitos de potencia y el tamaño del transistor en el mismo factor. Estos aumentos hacen que los dispositivos QFET sean útiles para desarrollar herramientas de automatización del diseño que se benefician de un bajo consumo de energía, un tamaño reducido y una alta velocidad. ^{[ 17 ]} Recientemente, el transistor de efecto de campo cuántico topológico (TQFET) ha abierto un nuevo paradigma para la conmutación de baja energía debido a fenómenos cuánticos intrínsecos. El TQFET tiene la capacidad de superar la tiranía de Boltzmann gracias al efecto Rahsba ^{[ 18 ]} y al efecto de capacitancia negativa ^{[ 19 ]} , y también promete la miniaturización mediante efectos de confinamiento cuántico. ^{[ 20 ]}

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