O Futuro dos Transistores: GAAFET Revelado!

Sumário

1. Introdução
2. Princípios Básicos dos Transistores
   • O que é um transistor?
   • Estrutura de um transistor
   • Funcionamento do transistor
3. Efeitos de Canal Curto
   • Efeito da tensão de limiar
   • Vazamento sub-threshold
   • Redução da barreira induzida pelo dreno (DIBL)
4. Transistores Multigates
   • Origens dos efeitos de canal curto
   • Transistores multigates
   • Evolução do FinFET para o GAAFET
5. Transistor "Gate All Around" (GAAFET)
   • Conceito do GAAFET
   • Categorias de GAAFET: Nanofios e Nanochapas
   • Processo de fabricação de um GAAFET
6. Benefícios do GAAFET
   • Eficiência energética
   • Velocidade e densidade
7. Corrida para o GAAFET
   • Dominância da TSMC
   • Estratégias da Samsung e Intel
8. Conclusão
   • Futuro dos transistores: além do GAAFET
   • Pesquisas em andamento na imec

Princípios Básicos dos Transistores

O que é um transistor?
Um transistor, em termos simples, é um interruptor controlado ativamente. Ele possui uma fonte e um dreno, que são feitos de regiões dopadas de silício com um dopante implantado usando um feixe de íons. Entre a fonte e o dreno, temos o portão e o óxido do portão. Estes ficam em cima do canal e o controlam através de um fenômeno conhecido como "acoplamento capacitivo".

Estrutura de um transistor
Quando o portão recebe uma determinada voltagem - referida como tensão de limiar - ele se "liga" ou "abre". Isso permite o fluxo de elétrons ou lacunas de elétrons da fonte para o dreno ao longo do canal. Esse controle da capacidade de um material para conduzir tais partículas é conhecido como "efeito de campo".

Funcionamento do transistor
O material semicondutor conduz apenas parte do tempo - daí o "semi". E o transistor usando o "efeito de campo" significa que podemos chamá-lo de Transistor de Efeito de Campo (MOSFET).

Efeitos de Canal Curto

Efeito da tensão de limiar
Em um mundo perfeito, o transistor muda instantaneamente. Mas em nosso mundo imperfeito, os transistores sofrem uma série de efeitos de canal curto. Um dos principais é a diminuição da tensão de limiar conforme o canal encurta.

Vazamento sub-threshold
Quando a tensão do portão diminui abaixo do limiar, ele deveria desligar completamente o fluxo entre a fonte e o dreno. No entanto, isso nem sempre acontece, resultando em um vazamento sub-threshold.

Redução da barreira induzida pelo dreno (DIBL)
A proximidade entre a fonte e o dreno pode resultar em um fluxo de corrente parasita, conhecido como DIBL. Isso leva a um sério problema de consumo de energia quando multiplicado por bilhões de transistores.

Transistores Multigates

Origens dos efeitos de canal curto
Os efeitos de canal curto originam-se da interferência dos campos elétricos vindos da fonte e do dreno. O transistor multigate, como o FinFET, intensifica o controle do portão sobre o canal, envolvendo-o em três lados.

Evolução do FinFET para o GAAFET
O FinFET foi seguido pelo Gate All Around Field Effect Transistor (GAAFET), que itera sobre o conceito, envolvendo completamente o canal com o portão. Isso oferece benefícios significativos em eficiência energética e desempenho.

Transistor "Gate All Around" (GAAFET)

Conceito do GAAFET
O GAAFET envolve completamente o canal com o portão, proporcionando um controle mais preciso sobre o fluxo de elétrons. Existem duas subcategorias principais: nanofios e nanochapas, cada uma com suas próprias vantagens e desvantagens.

Categorias de GAAFET: Nanofios e Nanochapas
Os nanofios são mais eficazes no controle do fluxo de elétrons, mas podem interferir com as camadas de interconexão acima. Já as nanochapas oferecem um controle ligeiramente menor, mas são mais fáceis de empilhar.

Processo de fabricação de um GAAFET
O processo de fabricação de um GAAFET é complexo e envolve várias etapas, incluindo epitaxia, formação de finos, isolamento de trincheiras rasas e deposição de camadas atômicas.

Benefícios do GAAFET

Eficiência energética
O GAAFET oferece uma redução significativa no consumo de energia em comparação com o FinFET, tornando-o atraente para aplicações móveis e de inteligência artificial.

Velocidade e densidade
Embora as melhorias na velocidade e densidade não sejam tão dramáticas quanto na eficiência energética, ainda oferecem ganhos significativos em certos cenários de aplicação.

Corrida para o GAAFET

Dominância da TSMC
A TSMC tem liderado o mercado de semicondutores há mais de uma década, mas a concorrência está se intensificando com a introdução do GAAFET pela Samsung e Intel.

Estratégias da Samsung e Intel
Samsung e Intel estão apostando no GAAFET para recuperar participação de mercado. Ambas as empresas estão avançando rapidamente com suas respectivas tecnologias GAAFET.

Conclusão

A evolução dos transistores, desde os planares até os multigates, impulsiona avanços significativos na eficiência energética e desempenho dos dispositivos semicondutores. O futuro promissor dos transistores GAAFET sugere um cenário competitivo emocionante para a indústria de semicondutores nos próximos anos. Enquanto isso, a pesquisa contínua em instituições como a imec continua a explorar novas fronteiras na tecnologia de semiconduto