Tranzistori na nanoskali za učinkovitiju elektroniku

Silicijevi tranzistori koji se koriste za pojačavanje i prebacivanje signala, kritična su komponenta u većini elektroničkih uređaja, od pametnih telefona do automobila. Ali tehnologiju silicijskog poluvodiča koči temeljno fizičko ograničenje koje sprječava rad tranzistora ispod određenog napona.

Ovo ograničenje, poznato kao "Boltzmannova konstanta", koči energetsku učinkovitost računala i druge elektronike, posebno s brzim razvojem tehnologija umjetne inteligencije koje zahtijevaju brže računanje.

U nastojanju da prevladaju ovo temeljno ograničenje silicija, istraživači s MIT-a proizveli su drugačiji tip trodimenzionalnog tranzistora koristeći jedinstveni skup ultratankih poluvodičkih materijala.

Njihovi uređaji, s okomitim nanožicama širokim samo nekoliko nanometara, mogu isporučiti performanse usporedive s najsuvremenijim silicijskim tranzistorima dok učinkovito rade na mnogo nižim naponima od konvencionalnih uređaja.

"Ovo je tehnologija s potencijalom da zamijeni silicij, tako da je možete koristiti sa svim funkcijama koje silicij trenutno ima, ali uz mnogo bolju energetsku učinkovitost", kaže Yanjie Shao, postdoktorat s MIT-a i glavni autor rada o novom tranzistoru.

Tranzistori iskorištavaju kvantna mehanička svojstva kako bi istovremeno postigli niskonaponski rad i visoke performanse unutar područja od samo nekoliko kvadratnih nanometara. Njihova iznimno mala veličina omogućila bi da se više ovih 3D tranzistora spakira na računalni čip, što bi rezultiralo brzom, snažnom elektronikom koja je također energetski učinkovitija.

Kako bi prevladali fizička ograničenja silicija, istraživači s MIT-a upotrijebili su drugačiji skup poluvodičkih materijala, galijev antimonid i indijev arsenid i dizajnirali svoje uređaje da iskoriste jedinstveni fenomen u kvantnoj mehanici koji se zove kvantno tuneliranje.

Kvantno tuneliranje je sposobnost elektrona da probiju barijere. Istraživači su proizveli tunelske tranzistore koji iskorištavaju ovo svojstvo kako bi potaknuli elektrone da prođu kroz energetsku barijeru umjesto da je prijeđu.

Koristeći alate na MIT.nano, MIT-ovom najsuvremenijem objektu za istraživanje nanomjera, inženjeri su mogli pažljivo kontrolirati 3D geometriju svojih tranzistora, stvarajući vertikalne heterostrukture nanožica promjera samo 6 nanometara. Vjeruju da su ovo najmanji 3D tranzistori prijavljeni do danas.

Kad su istraživači testirali svoje uređaje, oštrina nagiba prebacivanja bila je ispod temeljne granice koja se može postići s konvencionalnim silicijskim tranzistorima. Njihovi uređaji također su radili oko 20 puta bolje od sličnih tunelskih tranzistora.

Istraživači sada nastoje poboljšati svoje metode izrade kako bi tranzistore učinili ujednačenijim na cijelom čipu. Kod tako malih uređaja čak i varijacija od 1 nanometra može promijeniti ponašanje elektrona i utjecati na rad uređaja. Oni također istražuju vertikalne strukture u obliku peraja, uz vertikalne nanožičane tranzistore, koji bi potencijalno mogli poboljšati uniformnost uređaja na čipu.

Istraživanje objavljeno u časopisu Nature možete pronaći na ovoj poveznici.