Récord mundial de velocidad en un transistor
▶ En una demostración, un transistor se ha revelado como el más rápido del mundo de entre todos los que están basados en el silicio.
▶ Los autores de esta hazaña tecnológica, del Instituto Tecnológico de Georgia (Georgia Tech) y el instituto IHP, un centro de investigación adscrito al Instituto Leibniz para la Microelectrónica Innovadora en Alemania y financiado por el gobierno alemán, han hecho funcionar un transistor de silicio-germanio (SiGe) a una frecuencia de 798 gigahercios (GHz), superando en unos 200 gigahercios al transistor de silicio-germanio que hasta ahora ostentaba el récord mundial en esta categoría.
▶ Aunque estas velocidades de funcionamiento se lograron a temperaturas muy bajas, el equipo de John D. Cressler cree que es factible alcanzar velocidades similares a temperatura ambiente.
▶ Si esto último se consigue, y no hay motivo para creer que no se logrará, disponer de transistores tan rápidos permitirá un importante progreso en comunicaciones por cable e inalámbricas de alta velocidad, así como en sensores, aplicaciones de radar, procesamiento de señales e imágenes.
▶ Además, en opinión de Cressler, el récord logrado ahora también indica que la meta de romper la así llamada "barrera del terahercio", es decir, lograr velocidades por encima de 1 terahercio en un transistor de silicio-germanio lo bastante robusto y fabricable a escala industrial, está al alcance de la ciencia actual.
3000 × 1996 pixeles
High-speed silicon-germanium chips and measurements probes can be seen inside a cryogenic probe station in a laboratory
Chips de silicio-germanio de alta velocidad y sondas de medición, dentro de una cámara criogénica de pruebas en el Instituto Tecnológico de Georgia. (Foto: Rob Felt, Georgia Tech)
▶ El transistor ahora probado podría hallar aplicaciones prácticas en electrónica diseñada para operar a muy bajas temperaturas. En particular, podría ser utilizado en su forma actual para dispositivos que deban funcionar fuera de la Tierra, en zonas del espacio donde las temperaturas acostumbran a ser muy bajas.
▶ En el trabajo de desarrollo y verificación del nuevo transistor también han intervenido B. Heinemann, H. Rücker, y A. Fox, del IHP, así como P. Chakraborty, A. Cardoso y B. Wier, del Georgia Tech.
Silicio-Germanio chip establece un nuevo récord de velocidad
En una investigación, en la que colaboraron el IHP-Innovations for High Performance Microelectronics de Alemania y el Georgia Institute of Technology ha demostrado un dispositivo basado en silicio, el más rápido del mundo hasta la fecha.
Los investigadores desarrollaron un transistor de silicio-germanio (SiGe) a 798 gigahercios (GHz) fMAX, superando el récord de velocidad anterior para los chips de silicio-germanio en alrededor de 200 gigahertz.
Aunque estas velocidades de funcionamiento se lograron a temperaturas extremadamente bajas, la investigación sugiere que las velocidades de grabación a temperatura ambiente, no están muy lejos, dijo el profesor John D. Cressler , quien dirigió la investigación de tecnología de Georgia. La información acerca de la investigación fue publicada en febrero de 2014, por el IEEE Electron Device Letters .
Professor John Cressler (left) and graduate student Adilson S. Cardoso
"El transistor que probamos era un diseño conservador, y los resultados indican que existe un potencial significativo para alcanzar velocidades similares a temperatura ambiente - lo que permitiría potencialmente avances en alta velocidad de datos inalámbricos y comunicaciones por cable en un mundo cambiante, así como el procesamiento de señales, de imágenes, aplicaciones de detección y de radar ", dijo Cressler, quien ejerce la Presidencia de Schlumberger en electrónica en el Georgia Tech School of Electrical and Computer Engineering .
"Por otra parte, creo que estos resultados también indican que el objetivo de romper la llamada barrera de terahercios, ha alcanzando velocidades robustas y se pueden fabricar transistores de silicio-germanio ahora a nuestro alcance. "
Mientras tanto, Cressler añadió, el transistor probado en sí podría ser práctico como está actualmente, para ciertas aplicaciones a frías temperaturas.
En particular, podría ser utilizado en su forma actual para las exigentes aplicaciones de la electrónica en el espacio exterior, donde la temperatura puede ser muy baja.
El IHP-Innovations for High Performance Microelectronics, es un centro de investigación financiado por el gobierno alemán, diseñó y fabricó el dispositivo, un transistor bipolar de heterounión (HBT) a base de una aleación SiGe nanoescala incrustado dentro de un transistor de silicio.
Cressler y su equipo de Georgia Tech, incluyendo estudiantes graduados Partha S. Chakraborty, Adilson S. Cardoso y Brian R. Wier, realizó el trabajo exigente de analizar, probar y evaluar la novela transistor.
"Los resultados récord a baja temperatura muestran el potencial para aumentar aún más la velocidad del transistor hacia terahercios (THz) a temperatura ambiente. Esto podría ayudar a permitir que las aplicaciones de las tecnologías basadas en tecnologías de semiconductores compuestos son dominantes en la actualidad.
En el PHI, trabajan B. Heinemann, H. Rücker, y A. Fox con el apoyo de todo el equipo de tecnología para desarrollar la próxima generación de transistores THz ", según Bernd Tillack, que dirige el departamento de tecnología de PHI en Frankfurt, Alemania.
El silicio, un material utilizado en la fabricación de la mayoría de los microchips modernos, no es competitivo con otros materiales cuando se trata de los niveles extremadamente altos rendimiento necesario para ciertos tipos emergentes de teléfonos inalámbricos y de comunicaciones por cable, procesamiento de señales, radar y otras aplicaciones. Ciertos materiales altamente especializados y costosos - como el fosfuro de indio, arseniuro de galio y nitruro de galio - actualmente dominan estas áreas de aplicación altamente exigentes.
Pero el silicio-germanio cambia esta situación. En la tecnología SiGe, pequeñas cantidades de germanio se introducen en obleas de silicio a escala atómica durante el proceso de fabricación estándar, aumentando considerablemente el rendimiento.
El resultado es de vanguardia, dispositivos de silicio germanio, con el HP Microelectronics transistor a 800 GHz. Estos diseños combinan un rendimiento extremadamente alto de SiGe con las ventajas tradicionales de silicio de alto rendimiento a bajo costo, de tamaño más pequeño y altos niveles de integración y capacidad de fabricación - haciendo silicio-germanio, altamente competitivo con otros materiales.
Cressler y su equipo demostraron la velocidad del transistor 800 GHz a 4,3 grados Kelvin (452 grados bajo cero Fahrenheit). Este transistor tiene una tensión de ruptura de 1,7 V, un valor que es adecuado para las aplicaciones destinados.
El transistor de 800 GHz fue fabricado usando proceso de BiCMOS 130 nanómetros de PHI, que tiene una ventaja de coste en comparación con tecnologías CMOS altamente ampliadas de hoy en día.
Este proceso de SiGe BiCMOS 130 nm es ofrecido por el PHI en un servicio de fundición de obleas multi-proyecto.
El equipo de Georgia Tech utiliza helio líquido para alcanzar las extremadamente bajas temperaturas criogénicas de 4,3 grados Kelvin en la consecución de los 798 GHz velocidades observadas. "Cuando probamos el transistor GHz PHI 800 a temperatura ambiente durante nuestra evaluación, se operó a 417 GHz", dijo Cressler. "A esa velocidad, ya es más rápido que el 98 por ciento de todos los transistores disponibles en estos momentos."
Research News
Georgia Institute of Technology
177 North Avenue
Atlanta, Georgia 30332-0181 USA
Georgia Institute of Technology
177 North Avenue
Atlanta, Georgia 30332-0181 USA
Las nuevas capacidades aportadas por este enfoque innovador están basadas en la tecnología del silicio-germanio (SiGe), y permiten producir dispositivos electrónicos muy resistentes tanto a amplias variaciones de temperatura como a la radiación espacial.
El proyecto, con un costo de 12 millones de dólares y una duración de 63 meses, fue financiado por la NASA. Además del Tecnológico de Georgia, el equipo de 11 miembros incluyó académicos de las universidades de Arkansas, Auburn, Maryland, Tennessee y Vanderbilt. También han intervenido en el proyecto BAE Systems, Boeing Co., IBM Corp., Lynguent Inc. y el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA.
La tarea del equipo ha sido desarrollar para la NASA una infraestructura probada, incluyendo todo lo necesario para el diseño y la construcción de dispositivos electrónicos capaces de funcionar en los ambientes extremos de las misiones espaciales.
John Cressler del Tecnológico de Georgia ha sido el investigador principal y jefe del equipo.
Las aleaciones SiGe combinan a escala nanométrica el silicio, el material más común de los microchips, con el germanio. El resultado es un material recio que ofrece ventajas importantes en cuanto a resistencia, velocidad y flexibilidad.
Esa robustez es crucial para la capacidad del silicio-germanio de funcionar en el espacio sin voluminosos escudos contra la radiación o dispositivos de control de temperatura que suelen consumir mucha energía. Comparada con los enfoques convencionales, la electrónica SiGe puede proporcionar importantes reducciones en peso, tamaño, complejidad, consumo de energía y costo, así como incrementar la fiabilidad y la adaptabilidad.
El método tradicional para proteger la electrónica espacial, desarrollado en los años sesenta, se basa en usar voluminosas cajas metálicas que protegen a dispositivos electrónicos más o menos convencionales de la radiación y las temperaturas extremas.
En el mejor de los casos, la mayoría de los componentes electrónicos cuenta con las especificaciones típicas de la electrónica militar, lo que significa que funcionan en un rango de temperaturas que abarca desde los 55 grados centígrados bajo cero hasta los 125 sobre cero. Sin embargo, la electrónica enviada más allá de la órbita terrestre se expone a temperaturas mucho más extremas, así como a más radiaciones perjudiciales. Sin ir más lejos, los ciclos de temperatura en la superficie de la Luna varían entre 120 grados centígrados durante la fase más álgida del día lunar, hasta 180 bajo cero en plena noche.
La electrónica de silicio-germanio desarrollada por el equipo de Cressler ha demostrado que funciona fiablemente en todo el rango de temperaturas, desde 120 grados centígrados hasta 180 bajo cero. También es muy resistente o incluso inmune a varios tipos de radiación.