Multiplicadores de frequência, circuitos que podem produzir sinais com múltiplas frequências, são componentes essenciais para várias ferramentas tecnológicas, particularmente sistemas de comunicação sem fio. A maioria dos multiplicadores existentes, no entanto, são construídos usando circuitos de filtragem e amplificação que são volumosos e drenam rapidamente muita energia.
Pesquisadores do NaMLab, na Alemanha, criaram recentemente um único transistor de efeito de campo ferroelétrico que pode servir como retificador de onda completa e multiplicador de frequência. O dispositivo que eles desenvolveram, apresentado em um artigo publicado na Nature Electronics, é totalmente reconfigurável e economiza energia, pois pode ser usado isoladamente, sem a necessidade de circuitos adicionais.
“Nosso instituto (NaMLab) vem pesquisando sobre óxido ferro-elétrico de háfnio (HfO2) desde que as propriedades ferroelétricas deste material foram descobertas em 2007”, disse ao TechXplore Halid Mulaosmanovic, um dos pesquisadores que realizou o estudo. “Um dispositivo eletrônico atraente que pode ser fabricado usando esse material é um transistor de efeito de campo ferroelétrico (FeFET), que se assemelha a transistores lógicos convencionais, mas tem uma camada ferroelétrica na pilha de portas”.
O HfO2 pode alternar rápida e reversivelmente entre duas configurações cristalinas estáveis. Essa propriedade exclusiva permite o desenvolvimento de FeFETs que podem ser usados como memórias não voláteis e dispositivos neuromórficos. Os pesquisadores do NaMLab têm pesquisados essas duas aplicações dos FeFETs baseados em HfO2 em colaboração com a GLOBALFOUNDRIES, uma empresa com sede em Dresden que fabrica FeFETs de alta qualidade.
Como parte de sua pesquisa, Mulaosmanovic e seus colegas estudaram as respostas dos FeFETs com diferentes configurações ferroelétricas em sua pilha de portas. Curiosamente, eles notaram que, ao seguir um conjunto específico de parâmetros elétricos e de fabricação, as características de tensão de corrente (I-V) desses transistores se tornaram cada vez mais simétricas, assumindo uma forma parabólica.
Essa simetria foi aprimorada ainda mais por um tipo específico de corrente de vazamento, denominada vazamento de dreno induzido por porta (GIDL). Curiosamente, as correntes GIDL também podem ser encontradas nos transistores clássicos, mas, neste caso, são indesejáveis e podem prejudicar o desempenho dos transistores.
“Notavelmente, descobrimos que um alto grau de simetria só foi ativado pelas propriedades ferroelétricas do dispositivo, o que provavelmente é a razão pela qual esse comportamento não foi observado em transistores convencionais (não ferroelétricos) até agora”, disse Mulaosmanovic . “Essa simetria impressionante desencadeou a idéia de multiplicação de frequências, porque essas curvas I-V parabólicas naturalmente promovem o fenômeno da duplicação de frequências”.
O estudo realizado por Mulaosmanovic e seus colegas se inspira em estudos anteriores que pesquisaram a multiplicação de frequências. Por exemplo, na década de 1980, os pesquisadores previram que a simetria nas curvas I-V dos diodos de tunelamento ressonantes poderia ter vários benefícios para a multiplicação de frequências; uma previsão que mais tarde provou ser verdadeira. No passado, algumas equipes de pesquisa também projetaram FETs de grafeno com curvas I-V ambipolares simétricas para fins semelhantes.
“Ajustando cuidadosamente a quantidade de domínios ferroelétricos comutados no FeFET e permitindo simultaneamente um nível suficiente da corrente GIDL sob uma polarização adequada do dispositivo, é possível obter características I-V altamente simétricas, que se assemelham às de uma parábola”, explicou Mulaosmanovic. “Posteriormente, quando um sinal sinusoidal com uma certa frequência de entrada é aplicado a esse dispositivo, a corrente de saída terá o dobro da frequência de entrada. Isso acontece porque a parábola sempre dá uma saída positiva, tanto para uma oscilação negativa quanto positiva do sinal de entrada”.
Em seu artigo recente, Mulaosmanovic e seus colegas apresentaram um único dispositivo com propriedades de duplicação de frequência que funciona sem circuitos de filtragem adicionais, que são exigidos pelos multiplicadores convencionais. Devido à falta desses circuitos, o dispositivo é mais compacto do que os multiplicadores existentes e consome menos energia, o que o torna ideal para inúmeras aplicações práticas.
O novo FeFET conta com um efeito de campo para concluir as operações de gravação e leitura, o que o torna muito rápido e leva a um menor consumo de energia. Além disso, o transistor baseado em HfO2 é reconfigurável eletricamente, o que significa que ele pode atuar tanto como dobrador de frequência quanto como transmissor.
“A estratégia de projeto que desenvolvemos é completamente reconfigurável, no sentido de que você pode ativar a propriedade de multiplicação ou desligar apenas reprogramando eletricamente o FeFET, ou seja, alternando seu ferroelétrico para outro estado cristalino”, disse Mulaosmanovic. “Essa reconfigurabilidade fornece um valor agregado e uma excelente flexibilidade de design”.
O FeFET baseado em HfO2, criado pelos pesquisadores, é altamente escalável e os pesquisadores mostraram que ele pode ser reduzido a 20 nm do comprimento do canal. Também é compatível com CMOS, portanto, pode ser facilmente fabricado utilizando processos industriais existentes.
“Nossos FeFETs podem ser co-integrados com transistores lógicos clássicos, que serão extremamente úteis para construir circuitos de radiofreqüência baseados em FeFET em um único chip”, disse Mulaosmanovic. “Nosso trabalho também oferece um exemplo de como uma propriedade prejudicial de dispositivo, como o GIDL, pode ser transformada em vantagem. De fato, engenheiros de dispositivos e projetistas de circuitos costumam evitar o GIDL, mas conseguimos explorá-lo de maneira muito útil”.
No futuro, o dispositivo desenvolvido por Mulaosmanovic e seus colegas poderá ser usado como substituto de multiplicadores de frequência mais convencionais, melhorando a eficiência de energia de sistemas de comunicação sem fio e circuitos de radiofrequência. Até agora, os pesquisadores conseguiram usar o FeFET apenas para dobrar frequências dentro de uma faixa de 1 MHz, devido a limitações associadas à configuração experimental e à integração não ideal do dispositivo. Nos próximos estudos, no entanto, eles vão explorar maneiras pelas quais esse intervalo de frequências pode ser expandido.
“Agora, planejamos investigar diferentes possibilidades de integração: por exemplo, materiais de canais de semicondutores diferentes podem aumentar amplamente a faixa de frequência (por exemplo, silício ou germânio), bem como esquemas de integração mais avançados, como FinFET ou SOI (silicon-on-isolator) a tecnologia pode ser uma escolha melhor “, disse Mulaosmanovic. “Também planejamos melhorar a pureza espectral do sinal de saída e uma abordagem poderia ser ajustar ainda mais as propriedades ferroelétricas do dispositivo. Ainda há muito espaço para melhorias, mas o FeFET é um dispositivo muito promissor e esperamos muito mais avanços para esta aplicação”.
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