Los nanocircuitos son circuitos eléctricos que funcionan a escala nanométrica donde los efectos de la mecánica cuántica se vuelven importantes. Un nanómetro equivale a 10 −9 metros o una fila de 10 átomos de hidrógeno. Con circuitos cada vez más pequeños, se pueden instalar más en un chip de computadora. Esto permite funciones más rápidas y complejas utilizando menos energía. Los nanocircuitos se componen de tres componentes fundamentales diferentes. Se trata de transistores , interconexiones y arquitectura , todos fabricados a escala nanométrica.
Se han realizado diversas 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, es probable que los enfoques a corto plazo impliquen la incorporación de nanomateriales para mejorar los MOSFET (transistores de efecto de campo 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 . En 2004 se publicó un artículo de revisión [1] que cubre el diseño de MOSFET y su futuro 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 implementarse 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, lo que ha dado como resultado algunas patentes básicas [2] [3] que utilizan 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 sobre un sustrato para que sirva como canal lateral de un FET. Si bien no tienen la misma escalabilidad que los FET de nanocables individuales, 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 menor temperatura, se puede utilizar una variedad más amplia de materiales, como polímeros, como sustrato portador para los transistores, lo que abre la puerta a aplicaciones electrónicas flexibles, como papel electrónico, pantallas planas flexibles y células solares de área amplia.
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 coste de los transistores y trató de colocar más en un chip. Relata que el número de transistores que se pueden fabricar en un circuito integrado de silicio (y, por tanto, las capacidades informáticas de dicho circuito) se duplica cada 18 a 24 meses. [5] Cuantos más transistores se puedan colocar 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 transistores puedan caber en un chip. A pesar de lo bueno que esto pueda parecer, surgen muchos problemas cuando se empaquetan tantos transistores juntos. Como los circuitos son tan pequeños, tienden a tener más problemas que los circuitos más grandes, más particularmente calor: la cantidad de energía aplicada sobre una superficie más pequeña dificulta la disipación del calor, este exceso de calor provocará 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, fenómenos como señales parásitas en el chip, la necesidad de disipar el calor de tantos dispositivos estrechamente empaquetados, la creación de túneles a través de barreras de aislamiento debido a la pequeña escala y las dificultades de fabricación se detendrán o progreso muy lento. [7] Llegará un momento en el que el coste de hacer circuitos aún más pequeños será demasiado elevado y la velocidad de los ordenadores 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 microlitográfico.
En la producción de estos nanocircuitos intervienen muchos aspectos. La primera parte de su organización comienza con los transistores. En este momento, la mayoría de los productos 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 utilizan 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 forman parte de los transistores, también se fabrican a partir de moléculas orgánicas en estado nano.
El segundo aspecto de la organización de los nanocircuitos es la interconexión. Esto implica operaciones lógicas y matemáticas y los cables que unen los transistores que lo hacen posible. En los nanocircuitos, se utilizan nanotubos y otros cables tan estrechos como un nanómetro para unir transistores. Desde hace algunos años se fabrican nanocables a partir de nanotubos de carbono. Hasta hace unos años, se combinaban transistores y nanocables 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 nanocable (10.000 veces más delgado que una hoja de papel) que contiene una cadena de transistores. [9] Básicamente, los transistores y los nanocables ya están precableados para eliminar la difícil tarea de intentar conectar transistores con nanocables.
La última parte de la organización de los nanocircuitos es la arquitectura. Esto se ha explicado como la forma general en que se interconectan los transistores, 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 solucionar este problema. Su arquitectura combina circuitos que tienen interconexiones y puertas lógicas 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.
En 1987, un equipo de investigación de IBM dirigido por Bijan Davari demostró un transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET) con un espesor de óxido de puerta de 10 nm , utilizando tecnología de puerta de tungsteno . [12] Los MOSFET de puertas múltiples permitieron escalar por debajo de una longitud de puerta de 20 nm, comenzando con el FinFET (transistor de efecto de campo de aletas), un MOSFET de doble puerta tridimensional, no plano. [13] El FinFET se origina a partir de la investigación de Digh Hisamoto en el Laboratorio Central de Investigación de Hitachi en 1989. [14] [15] [16] [17] En UC Berkeley , los dispositivos FinFET fueron fabricados por un grupo formado por Hisamoto y TSMC . s Chenming Hu y otros investigadores internacionales, incluidos Tsu-Jae King Liu , Jeffrey Bokor , Hideki Takeuchi, K. Asano, Jakub Kedziersk, Xuejue Huang, Leland Chang, Nick Lindert, Shbly Ahmed y Cyrus Tabery. El equipo fabricó dispositivos FinFET hasta un proceso de 17 nm en 1998, y luego de 15 nm en 2001. En 2002, un equipo que incluía a Yu, Chang, Ahmed, Hu, Liu, Bokor y Tabery fabricaron un dispositivo FinFET de 10 nm . [13]
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 fabricado íntegramente a partir de nanotubos de carbono . Estaba destinado a ser utilizado para nanocircuitos. Los nanotubos son láminas enrolladas de átomos de carbono y son más de mil veces más delgadas que el cabello humano. [ cita necesaria ] 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 puerta completa ( GAA) Tecnología FinFET. [18] [19]
Normalmente, los circuitos utilizan transistores basados en silicio , pero los nanotubos de carbono están destinados a reemplazarlos. El transistor tiene dos ramas diferentes que se unen en un solo punto, dándole así 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 fabricarse completamente a partir de nanotubos. Antes de este descubrimiento, los circuitos lógicos utilizaban nanotubos, pero necesitaban compuertas metálicas para poder controlar el flujo de corriente eléctrica .
Podría decirse que la mayor aplicación potencial de los nanocircuitos tiene que ver con las computadoras y la electrónica. Los científicos e ingenieros siempre buscan cómo hacer que las computadoras sean más rápidas. Algunos piensan que en el corto plazo podríamos ver híbridos de micro y nano: silicio con un nano núcleo, tal vez una memoria de computadora de alta densidad que retenga su contenido para siempre. [20] A diferencia del diseño de circuitos convencional, que va desde el plano hasta el patrón fotográfico y el chip, el diseño de nanocircuitos probablemente comenzará con el chip (una mezcla desordenada de hasta 1024 componentes y cables, de los cuales no todos funcionarán) y gradualmente esculpirá convertirlo en un dispositivo útil. [21] En lugar de adoptar el enfoque tradicional de arriba hacia abajo , probablemente pronto habrá que adoptar el enfoque de abajo hacia arriba debido al gran tamaño de estos nanocircuitos. Probablemente no todo en el circuito funcionará porque a nivel nano, los nanocircuitos serán más defectuosos y defectuosos debido a su tamaño compacto. Los científicos e ingenieros han creado todos los componentes esenciales de los nanocircuitos, como transistores, puertas lógicas y diodos. Todos ellos 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 llegar a ser los nanocircuitos y las computadoras y la electrónica alcanzarán sus velocidades de equilibrio.