À medida que dispositivos eletrônicos se tornam menores, mais rápidos e mais eficientes, cresce também a necessidade de desenvolver novas tecnologias capazes de reduzir o consumo de energia sem comprometer o desempenho. É nesse cenário que se insere a pesquisa de Pedro Henrique Madeira, mestrando da Universidade Estadual Paulista (UNESP), que investiga a aplicação de transistores SOI FinFET e TFET-FinFET no desenvolvimento de reguladores lineares de baixa queda de tensão (LDOs), circuitos fundamentais para a alimentação de chips eletrônicos.
Os transistores podem ser entendidos como pequenas “chaves” eletrônicas responsáveis por controlar a passagem da corrente elétrica. Bilhões deles estão presentes em um único circuito integrado e tornam possível o funcionamento de praticamente todos os dispositivos eletrônicos atuais, desde smartphones e computadores até automóveis, equipamentos médicos e sistemas industriais. Segundo Pedro, praticamente qualquer circuito eletrônico moderno pode ser implementado utilizando apenas transistores, tornando esses dispositivos a base de toda a eletrônica contemporânea.
Da curiosidade pela eletrônica à pesquisa em semicondutores
O interesse de Pedro pela área começou ainda antes da graduação. Formado em Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações, ele já havia cursado um técnico em eletrônica e realizado estágio na área, experiência que despertou seu interesse pelos dispositivos eletrônicos.
Durante a graduação, aprofundou seus conhecimentos em eletrônica e iniciou uma iniciação científica, pesquisando transistores avançados. O contato com arquiteturas tridimensionais e novas tecnologias de semicondutores despertou seu interesse pela pesquisa científica, levando-o a ingressar no mestrado, onde hoje investiga soluções para reduzir o consumo energético de circuitos integrados.
A evolução dos transistores
A intensa miniaturização dos dispositivos eletrônicos, impulsionada pela demanda da indústria de semicondutores, exige novas tecnologias para reduzir a área ocupada e a potência dissipada nos circuitos integrados.
Nesse contexto, a tecnologia SOI MOSFET revolucionou o setor ao permitir dispositivos menores, mais resistentes aos efeitos de canal curto e com menor capacitância de junção. Entretanto, para nós tecnológicos inferiores a 32 nm, tornou-se necessário desenvolver
arquiteturas ainda mais eficientes, surgindo os transistores de múltiplas portas, como o SOI FinFET.
Diferentemente dos transistores planares tradicionais, o SOI FinFET possui uma estrutura tridimensional em formato de uma fina aleta, recoberta pelo dielétrico e pelo material de porta em três lados. Essa configuração proporciona um controle eletrostático muito mais eficiente sobre a corrente elétrica, reduzindo efeitos indesejados, como correntes parasitas, e permitindo a fabricação de dispositivos significativamente menores e mais rápidos.
Quando a física quântica ajuda a economizar energia
Além dos FinFETs, a pesquisa também explora os TFET-FinFETs, dispositivos que utilizam um princípio completamente diferente de funcionamento.
Enquanto os transistores convencionais conduzem corrente por difusão e deriva dos elétrons, os TFETs utilizam o fenômeno de tunelamento quântico entre bandas (Band-to-Band Tunneling – BTBT). Nesse mecanismo, alguns elétrons conseguem atravessar uma barreira de energia por meio do efeito de tunelamento, gerando correntes extremamente baixas.
Essa característica permite que o transistor opere com consumo de energia muito reduzido e apresente baixa corrente quando está desligado, tornando-o uma alternativa promissora para aplicações que exigem alta eficiência energética.
Segundo Pedro, embora o efeito de tunelamento exista em todos os transistores, ele normalmente é desprezível. Nos TFETs, entretanto, esse fenômeno passa a ser o principal mecanismo responsável pela condução elétrica, permitindo que o dispositivo apresente características bastante diferentes dos transistores convencionais.
A combinação de duas tecnologias
Em vez de substituir completamente uma tecnologia pela outra, o trabalho busca explorar as vantagens de ambas em um mesmo circuito.
O objetivo da pesquisa é desenvolver um regulador linear de baixa queda de tensão (LDO) utilizando transistores SOI FinFET e TFET-FinFET fabricados na mesma lâmina e seguindo o mesmo processo tecnológico.
Os TFETs são empregados nas etapas do circuito em que o baixo consumo de energia, o elevado ganho e a alta resistência são mais importantes, enquanto os FinFETs permanecem responsáveis pelos estágios que precisam fornecer correntes maiores para alimentar a carga.
Essa abordagem híbrida busca combinar as principais vantagens de cada arquitetura, resultando em reguladores de tensão mais eficientes sem comprometer o desempenho do circuito.
Reguladores LDO e eficiência energética
O regulador LDO foi escolhido por desempenhar um papel essencial na alimentação de circuitos integrados.
Sua função é fornecer uma tensão constante para que os demais blocos do chip possam operar corretamente. Quanto maior a eficiência desse fornecimento de energia, menor é a potência desperdiçada e maior é a autonomia e o desempenho dos dispositivos eletrônicos.
Segundo o pesquisador, um dos principais desafios da indústria atualmente é justamente reduzir o consumo energético e o aquecimento dos chips. À medida que bilhões de transistores são integrados em áreas cada vez menores, controlar a dissipação de potência torna-se essencial para garantir desempenho, confiabilidade e maior vida útil dos dispositivos.
Desempenho térmico
Outro aspecto investigado é o comportamento dessas tecnologias em diferentes condições de operação.
Embora o estudo da influência da temperatura ainda esteja em andamento, os resultados obtidos indicam que os transistores SOI FinFET podem apresentar efeitos de autoaquecimento quando operam sob tensões mais elevadas. Já os TFET-FinFETs, devido às correntes significativamente menores durante sua operação, não apresentaram sinais desse efeito nas condições avaliadas, demonstrando potencial para aplicações de baixo consumo.
O trabalho por trás da pesquisa
Apesar de lidar com dispositivos de última geração, a pesquisa não envolve a fabricação dos chips no Brasil.
Os transistores utilizados no estudo são produzidos pelo imec, centro de pesquisa em nanoeletrônica localizado na Bélgica, referência mundial na área de semicondutores. A pesquisa consiste na caracterização elétrica desses dispositivos, na modelagem de seus parâmetros e no desenvolvimento dos circuitos por meio de simulações computacionais.
As medições experimentais contam com infraestrutura da UNESP e também com a colaboração de laboratórios da Universidade de São Paulo (USP), evidenciando a importância da cooperação entre instituições brasileiras para o avanço da pesquisa em microeletrônica.
Pesquisa nacional para uma tecnologia estratégica
Para Pedro, investir em pesquisas na área de semicondutores é fundamental para o desenvolvimento científico e tecnológico do país.
Os circuitos integrados estão presentes em praticamente toda a tecnologia moderna, tornando essa área estratégica para a soberania nacional. Embora a fabricação de chips ainda represente um desafio devido aos elevados custos de infraestrutura, universidades brasileiras já demonstraram competência tanto na pesquisa quanto no desenvolvimento de dispositivos e circuitos integrados.
Segundo o pesquisador, desenvolver tecnologias tão recentes envolve desafios constantes, mas também representa a oportunidade de contribuir com soluções promissoras para a indústria de semicondutores. Nesse contexto, a colaboração entre instituições como UNESP, USP e UNICAMP fortalece a formação de pesquisadores e impulsiona o avanço da ciência brasileira em uma das áreas mais competitivas da tecnologia mundial.
Reportagem: Ana Carolina Vieira Araújo (aluna de extensão do INCT NAMITEC)
