Nanourządzenie mające na celu zastąpienie tranzystora polowego

Tranzystor polowy jest koniem roboczym przemysłu elektroniki użytkowej. Wyrzeźbione w miliardach mikrochipów, urządzenia te odchodzą, mniej lub bardziej niezauważone, praktycznie w każdym domu, biurze i laboratorium w rozwiniętym świecie.

A jednak istnieje odwieczny problem z tranzystorami polowymi, który spędza sen z powiek projektantom chipów – jak je zmniejszyć, a tym samym utrzymać nieubłagane tempo prawa Moore'a.

Tranzystory polowe są już tak małe, że ich zmniejszenie prowadzi do wielu wyzwań, które wcale nie są łatwe do rozwiązania. Komponenty dzisiejszych najnowocześniejszych tranzystorów polowych mają długość zaledwie kilku nanometrów — to zaledwie kilka warstw krzemu atomowego.

Te warstwy krzemu muszą być domieszkowane innymi atomami – w przypadku tak małych elementów wystarczy garstka. I na tym polega problem. Nawet niewielka losowa zmiana liczby atomów domieszek w elementach półprzewodnikowych może mieć ogromny wpływ na zachowanie tranzystora. Sposób kontrolowania tych zmian podczas produkcji nie jest w żaden sposób jasny. Następnie pojawia się fizyczny problem, aby urządzenie z trzema terminalami było jeszcze mniejsze.

Tak więc projektanci chipów bardzo chcieliby mieć inne urządzenie, na którym mogliby polegać, aby budować chipy, które są gęściej upakowane z coraz mniejszymi komponentami.

Dzisiaj Jason Marmon z University of North Carolina w Charlotte wraz z kilkoma kumplami prezentują właśnie takie urządzenie w postaci tranzystora z efektem świetlnym. Jest to zasadniczo drut, który przewodzi, gdy jest skąpany w świetle i izoluje, gdy jest ciemno. Innymi słowy, jest to przełącznik modulowany światłem. Zespół twierdzi, że jego nowe urządzenie jest prostsze niż tranzystor polowy i nie opiera się na atomach domieszek, dzięki czemu można je zmniejszyć, a tym samym kontynuować prawo Moore'a.

Najpierw trochę tła. Tranzystor polowy to urządzenie z trzema zaciskami — źródłem, drenem i bramką. Ilość prądu przepływającego między źródłem a drenem jest określana przez napięcie przyłożone do bramki. To włącza lub wyłącza prąd.

Tranzystor świetlny działa w zupełnie inny sposób. Jest to po prostu nanodrut, przez który może płynąć prąd w zależności od ilości padającego na niego światła. Innymi słowy, możliwe jest użycie światła do włączania lub wyłączania prądu.

Nie ma nic szczególnego ani nowego w tym efekcie fotoprzewodzącym. Występuje, gdy absorpcja światła zwiększa liczbę elektronów i dziur w półprzewodniku, zwiększając w ten sposób jego przewodnictwo.

Jednak materiały fotoprzewodzące nigdy nie były odpowiednie jako tranzystory, ponieważ efekt działa tylko w pobliżu powierzchni materiału i nie rozciąga się na całą jego masę. Nie tworzą więc niezawodnych przełączników.

Ale to się zmienia, gdy materiał fotoprzewodzący ma tylko kilka warstw atomowych. W takim przypadku efekt fotoprzewodzący występuje w całym materiale, dzięki czemu jest on znacznie bardziej wytrzymały jako przełącznik.

Praca Marmon and co polega na scharakteryzowaniu zachowania półprzewodnikowych nanodrutów wykonanych z kadmu i selenu. Mówią, że te przewody demonstrują pewne użyteczne i unikalne zachowania.

Po pierwsze, przewody działają dobrze jako przełączniki, które pod pewnymi względami dobrze porównują się z tranzystorami polowymi. Na przykład pozwalają na przepływ milion razy większy prąd, gdy są włączone, w porównaniu z wyłączonym, gdy działają przy napięciu około 1,5 V. [Tranzystor świetlny] może odtworzyć podstawową funkcję przełączania nowoczesnego tranzystora polowego z konkurencyjnym (i potencjalnie ulepszonych), mówią Marmon i spółka.

Ale przewody mają też zupełnie nowe możliwości. Urządzenie działa jako wzmacniacz optyczny, a także może wykonywać podstawowe operacje logiczne za pomocą dwóch lub więcej wiązek laserowych zamiast jednej. To jest coś, czego nie może zrobić pojedynczy tranzystor polowy.

Dużą zaletą jest to, że ponieważ efekt fotoprzewodzący nie wymaga atomów domieszek, nie jest podatny na problemy losowej zmienności, które nękają tranzystory polowe. Nanoprzewody są również prostsze niż tranzystory polowe, dzięki czemu są potencjalnie tańsze i łatwiejsze do wykonania.

Oczywiście istnieje wiele przeszkód, zanim te urządzenia będą mogły zostać wbudowane w zintegrowane chipy lub nawet wyprodukowane na skalę przemysłową. Inżynierowie elektronicy będą chcieli lepiej zrozumieć charakterystykę urządzenia w szerszym zakresie warunków, szczególnie w odniesieniu do szybkości przełączania. Będą również chcieli wiedzieć, jak radzi sobie z nowoczesnymi technikami produkcji masowej.

Następnie pojawia się pytanie o architekturę chipów — jak dokładnie adresować światło do około miliarda nanoprzewodów i jak to wpływa na zużycie energii?

Niemniej jednak tranzystory z efektem świetlnym oferują szereg fascynujących możliwości, szczególnie w odniesieniu do operacji logiki optycznej. Ciekawie będzie zobaczyć, dokąd badacze zajmą się tym dalej.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1601.04748 : Tranzystor z efektem świetlnym (LET) z wieloma niezależnymi kontrolkami bramkowania dla optycznych bramek logicznych i wzmocnienia optycznego

ukryć