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Thursday, 29 May 2025

Transistores

 Perfecto. Expandamos en detalle cómo la **cuántica** interviene en el **diseño de transistores**, sobre todo en los **transistores modernos a escala nanométrica**.


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### **1. Fundamento cuántico de los transistores**


Los transistores están hechos con **materiales semiconductores** (como el silicio), cuyo comportamiento eléctrico se explica mediante la **mecánica cuántica**. Algunos aspectos clave:


#### a) **Bandas de energía**


* La mecánica cuántica describe cómo los **electrones** ocupan bandas discretas de energía:


  * **Banda de valencia** (llena de electrones).

  * **Banda de conducción** (vacía o parcialmente llena).

* Un **transistor** funciona controlando el movimiento de electrones entre estas bandas mediante campos eléctricos (como en los MOSFETs).


#### b) **Tunelamiento cuántico**


* A escalas de nanómetros, los electrones pueden **atravesar barreras de potencial** incluso si no tienen energía suficiente (fenómeno prohibido en la física clásica).

* Este efecto **indeseado** puede hacer que los transistores "fuguen" corriente, incluso cuando deberían estar apagados.

* En transistores modernos (<5 nm), se diseñan estructuras que **mitigan** el tunelamiento, como:


  * Aislamientos más delgados y mejores materiales dieléctricos (como HfO₂).

  * Geometrías como **FinFETs** y **Gate-All-Around**.


#### c) **Cuantización del canal**


* En canales muy delgados (por ejemplo, nanohilos), el movimiento de los electrones se restringe a tal punto que solo pueden ocupar **niveles energéticos discretos**.

* Esto modifica el comportamiento eléctrico y requiere modelado cuántico para predecir la **conductancia** y otros parámetros.


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### **2. Diseño cuántico en herramientas modernas**


Para diseñar transistores a nivel cuántico:


* Se usan **simuladores cuánticos** de dispositivos como **TCAD Sentaurus** o **QuantumATK**.

* Estos modelan la **distribución de portadores**, el **potencial electrostático** y los **niveles energéticos** mediante la **ecuación de Schrödinger** acoplada a **Poisson**.

* Se estudian efectos como:


  * **Efecto de confinamiento cuántico**

  * **Transporte balístico de electrones** (sin colisiones)

  * **Acoplamiento espín-órbita** (en dispositivos cuánticos emergentes)


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### **3. Proyección futura: transistores cuánticos**


Más allá de la tecnología CMOS, hay investigación en:


* **Transistores de un solo electrón (SETs)**: basados en el **control cuántico individual de electrones**.

* **Qubits** de semiconductores: usando **puntos cuánticos** para computación cuántica.


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¿Te interesa ver un esquema o diagrama de cómo se modela cuánticamente un transistor moderno?

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