transistor, gli elementi costitutivi dei dispositivi moderni, agiscono come interruttori elettronici che controllano il flusso di corrente attraverso i circuiti. Negli ultimi decenni, si sono ridotti più di 1000 volte di dimensione, rendendo dispositivi come laptop e smartphone più veloci e compatti.

Man mano che diventano più piccoli, però, stanno anche consumando e sprecando più energia. Il tipo più comune di transistor chiamato MOSFET non può passare bruscamente da acceso a spento, e quindi disperdono corrente anche dopo che il dispositivo è spento:più sono piccoli, più energia sprecano. Si prevede che le alternative recenti chiamate FET a tunnel sprechino molta meno energia, ma sono più adatte per dispositivi a basse prestazioni come orologi o computer notebook.

Per la prima volta, gli scienziati dell'Indian Institute of Science (IISc) hanno combinato questi due diversi tipi di transistor in un unico dispositivo che può facilmente passare da modalità a risparmio energetico a modalità ad alte prestazioni, a seconda della necessità. Il dispositivo ha uno speciale tipo di giunzione metallo-semiconduttore che può essere modificato per farlo comportare come un MOSFET o un FET a tunnel.

"Hai flessibilità, "dice Shubhadeep Bhattacharjee, dottorato di ricerca studente presso il Center for Nano Science and Engineering, IISc e primo autore dell'articolo pubblicato in Lettere di fisica applicata . "Utilizzando lo stesso dispositivo, puoi avere sia alte prestazioni che compromettono la potenza, o una prestazione ottimale, funzionamento a bassa potenza. Pensalo come usare la stessa macchina di una Tata Nano o di una Mercedes Benz".

I primi transistor erano delle dimensioni di un palmo, ma oggi sono diverse migliaia di volte più piccole della larghezza di un capello umano. "La cosa buona di questa miniaturizzazione è che ora siamo in grado di stipare più funzioni all'interno di una piccola area, ", afferma l'autore senior Navakanta Bhat, Sedia, Centro per la nanoscienza e l'ingegneria, IISc. Ecco perché gli smartphone sono in grado di fare di più oggi rispetto a quanto erano in grado di fare molti computer precedenti.

Transistor come i MOSFET convenzionali, utilizzato in quasi tutti i gadget elettronici oggi, tipicamente funzionano come paratoie in una diga. hanno una fonte, uno scarico, e un cancello che controlla il flusso di elettroni tra i due. Quando il cancello è in posizione OFF, c'è una grande barriera di energia tra la sorgente e il drenaggio che impedisce agli elettroni di attraversare. Quando viene applicata una tensione, il cancello è acceso, l'altezza della barriera è ridotta, e gli elettroni sono in grado di saltarci sopra. Minore è la tensione di alimentazione necessaria per accendere il transistor, più efficiente è il dispositivo.

Però, gli scienziati non sono stati in grado di ridurre la tensione di alimentazione per i MOSFET proporzionalmente alle dimensioni del transistor, a causa di un difetto di progettazione fondamentale. Un fattore chiamato oscillazione sottosoglia, che determina la tensione di gate minima richiesta per il transistor per passare da acceso a spento, limita la tensione di alimentazione a un certo limite inferiore di circa 1 volt. Ciò significa che la massima efficienza che i MOSFET possono raggiungere sarà severamente limitata, non importa di che taglia siano. "Questa è una limitazione fondamentale imposta dalla fisica, poiché il numero di elettroni in grado di saltare la barriera è governato dalla statistica di Boltzmann, "dice Bhat.

Per superare questo limite, gli scienziati hanno provato a utilizzare transistor chiamati FET tunnel, dove, invece di altezza , il larghezza della barriera elettronica è ridotto ad un punto in cui gli elettroni sono in grado di "tunnel" attraverso la barriera invece di saltarci sopra. I tunnel FET possono funzionare a tensioni di alimentazione inferiori e sono molto più efficienti. Ma hanno anche uno svantaggio:l'uscita desiderata, la corrente che scorre quando il transistor è acceso, è notevolmente ridotta.

In questo studio, per la prima volta, i ricercatori hanno progettato un dispositivo ibrido in grado di passare dalla modalità MOSFET alla modalità FET tunnel utilizzando due porte invece di una, e un tipo speciale di barriera elettronica chiamata giunzione Schottky. La barriera Schottky viene creata quando un metallo e un semiconduttore vengono uniti in determinate condizioni. I ricercatori hanno utilizzato processi di progettazione specifici per creare una giunzione Schottky in cui l'altezza e la larghezza della barriera possono essere regolate in modo indipendente. Il trattamento allo zolfo è stato utilizzato per consentire questa ingegneria del contatto. Inoltre, il materiale di gate è stato depositato mediante evaporazione a fascio elettronico, invece del metodo convenzionale di deposizione dello strato atomico.

Il dispositivo a doppio gate è stato in grado di funzionare a una tensione inferiore a quella possibile con i MOSFET convenzionali, riducendo notevolmente il consumo di energia. Ciò consentirebbe di ridurre la tensione di esercizio a meno di mezzo volt. Ha anche mostrato prestazioni superiori rispetto agli attuali FET per tunnel allo stato dell'arte.

Il nuovo design composito offre molta più flessibilità nella funzione del transistor rispetto a quanto fosse possibile in precedenza, e può migliorare significativamente l'efficienza dei dispositivi elettronici, dicono gli autori.