Los investigadores han desarrollado un nuevo enfoque de la física subyacente de los semiconductores. Calcularon los niveles de cuasi-Fermi en las uniones moleculares aplicando un enfoque ab initio. Las compañías de semiconductores están luchando por desarrollar dispositivos que sean meros nanómetros de tamaño, y gran parte del desafíoradica en poder describir con mayor precisión la física subyacente en esa nanoescala. Pero un nuevo enfoque computacional que ha estado en proceso durante una década podría romper estas barreras.
Los dispositivos que usan semiconductores, desde computadoras hasta células solares, han disfrutado de mejoras de eficiencia tremendas en las últimas décadas. Famoso, uno de los cofundadores de Intel, Gordon Moore, observó que la cantidad de transistores en un circuito integrado se duplica en casi todos los casos.dos años, y esta 'ley de Moore' se mantuvo durante algún tiempo.
Sin embargo, en los últimos años, tales ganancias se han ralentizado a medida que las empresas que intentan diseñar transistores a nanoescala alcanzan los límites de la miniaturización a nivel atómico.
"Con los sistemas cuánticos abiertos como el principal objetivo de investigación de nuestro laboratorio, estábamos revisando conceptos que se daban por sentados e incluso aparecían en los libros de texto de física de semiconductores estándar, como la caída de voltaje en dispositivos semiconductores operativos", dijo el investigador principal. ProfesorYong-Hoon Kim. "Al cuestionar cómo todos estos conceptos podrían ser entendidos y posiblemente revisados a nanoescala, estaba claro que había algo incompleto en nuestra comprensión actual".
"Y a medida que los chips semiconductores se reducen al nivel atómico, elaborar una mejor teoría para describir los dispositivos semiconductores se ha convertido en una tarea urgente".
La comprensión actual afirma que los semiconductores son materiales que actúan como casas a mitad de camino entre conductores, como cobre o acero, y aislantes, como caucho o espuma de poliestireno. A veces conducen electricidad, pero no siempre. Esto los convierte en un gran material para intencionalmentecontrolando el flujo de corriente, que a su vez es útil para construir los interruptores de encendido / apagado simples transistores que son la base de los dispositivos de memoria y lógica en las computadoras.
Para 'encender' un semiconductor, se aplica una fuente de corriente o luz, excitando un electrón en un átomo para saltar de lo que se llama una 'banda de valencia', que está llena de electrones, hasta la 'banda de conducción, 'que originalmente no estaba lleno o solo estaba parcialmente lleno de electrones. Los electrones que han saltado a la banda de conducción gracias a estímulos externos y los' agujeros 'restantes ahora pueden moverse y actuar como portadores de carga para hacer fluir la corriente eléctrica.
El concepto físico que describe las poblaciones de los electrones en la banda de conducción y los agujeros en la banda de valencia y la energía requerida para realizar este salto se formula en términos del llamado 'nivel de Fermi'. Por ejemplo, necesitapara conocer los niveles de Fermi de los electrones y los agujeros para saber qué cantidad de energía va a obtener de una célula solar, incluidas las pérdidas.
Pero el concepto de nivel de Fermi solo se define directamente siempre que un dispositivo semiconductor esté en equilibrio, sentado en un estante sin hacer nada, y el objetivo de los dispositivos semiconductores no es dejarlos en el estante.
Hace unos 70 años, William Shockley, el coinventor ganador del Premio Nobel del transistor en los Laboratorios Bell, ideó un poco de dulce teórico, el "nivel cuasi-Fermi" o QFL, que permite una predicción aproximaday la medición de la interacción entre los agujeros de la banda de valencia y los electrones de la banda de conducción, y esto ha funcionado bastante bien hasta ahora.
"Pero cuando trabajas a la escala de unos pocos nanómetros, los métodos para calcular teóricamente o medir experimentalmente la división de QFL simplemente no estaban disponibles", dijo el profesor Kim.
Esto significa que a esta escala, cuestiones como los errores relacionados con la caída de tensión adquieren una importancia mucho mayor.
El equipo de Kim trabajó durante casi diez años en el desarrollo de una descripción teórica novedosa del transporte de electrones cuánticos a nanoescala que puede reemplazar el método estándar, y el software que les permite ponerlo en práctica. Esto implicó un mayor desarrollo de un pocode matemática conocida como la teoría funcional de la densidad que simplifica las ecuaciones que describen las interacciones de los electrones, y que ha sido muy útil en otros campos, como el descubrimiento de materiales computacionales de alto rendimiento.
Por primera vez, pudieron calcular la división QFL, ofreciendo una nueva comprensión de la relación entre la caída de voltaje y el transporte cuántico de electrones en dispositivos de escala atómica.
Además de analizar varios fenómenos cuánticos interesantes de no equilibrio con su nueva metodología, el equipo ahora está desarrollando aún más su software en una herramienta de diseño asistida por computadora para ser utilizada por las compañías de semiconductores para desarrollar y fabricar dispositivos semiconductores avanzados.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por El Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea KAIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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