Silicijumski tranzistori, koji se koriste za pojačavanje i prebacivanje signala, kritična su komponenta u većini elektronskih uređaja, od pametnih telefona do automobila. Ali silicijumsku poluprovodničku tehnologiju zadržava osnovna fizička granica koja sprečava rad tranzistori ispod određenog napona.
Ovo ograničenje, poznato kao „Bolcmanova tiranija“, ometa energetsku efikasnost računara i druge elektronike, posebno sa brzim razvojem tehnologija veštačke inteligencije koje zahtevaju brže računanje.
U nastojanju da prevaziđu ovo osnovno ograničenje silicijuma, istraživači sa MIT-a su proizveli drugačiji tip trodimenzionalnog tranzistora koristeći jedinstveni set ultratankih poluprovodničkih materijala. Istraživanje se pojavljuje u Nature Electronics.
Njihovi uređaji, koji sadrže vertikalne nanožice široke samo nekoliko nanometara, mogu da isporuče performanse uporedive sa najsavremenijim silicijumskim tranzistorima, dok efikasno rade na mnogo nižim naponima od konvencionalnih uređaja.
„Ovo je tehnologija sa potencijalom da zameni silicijum, tako da biste mogli da je koristite sa svim funkcijama koje silicijum trenutno ima, ali sa mnogo boljom energetskom efikasnošću“, kaže Janđie Šao, postdoktor MIT-a i glavni autor rada o novom tranzistori.
Tranzistori koriste kvantno-mehanička svojstva kako bi istovremeno postigli niskonaponski rad i visoke performanse na površini od samo nekoliko kvadratnih nanometara. Njihova izuzetno mala veličina bi omogućila da se više ovih 3D tranzistora spakuje na kompjuterski čip, što rezultira brzom, moćnom elektronikom koja je takođe energetski efikasnija.
„Sa konvencionalnom fizikom možete ići samo toliko daleko. Rad Janđija pokazuje da možemo bolje od toga, ali moramo da koristimo drugačiju fiziku. Mnogo je izazova koje tek treba da se prevaziđe da bi ovaj pristup bio komercijalan u budućnost, ali konceptualno, to je zaista iskorak“, kaže stariji autor Hesus del Alamo, Donner profesor inženjerstva na MIT Odeljenju za elektrotehniku i računarstvo (EECS).
Njima se u radu pridružuju Ju Li, profesor nuklearnog inženjerstva u Tokijskoj elektroenergetskoj kompaniji i profesor nauke o materijalima i inženjerstva na MIT-u; EECS diplomirani student Hao Tang; MIT postdoc Baoming Vang; i profesori Marko Pala i David Eseni sa Univerziteta u Udinama u Italiji.
U elektronskim uređajima, silicijumski tranzistori često rade kao prekidači. Primena napona na tranzistor dovodi do toga da se elektroni pomeraju preko energetske barijere sa jedne strane na drugu, prebacujući tranzistor sa „isključenog“ na „uključeno“. Prebacivanjem, tranzistori predstavljaju binarne cifre za obavljanje proračuna.
Preklopni nagib tranzistora odražava oštrinu prelaza „isključeno“ u „uključeno“. Što je strmiji nagib, to je manji napon potreban za uključivanje tranzistora i veća je njegova energetska efikasnost.
Ali zbog načina na koji se elektroni kreću preko energetske barijere, Bolcmanova tiranija zahteva određeni minimalni napon za prebacivanje tranzistora na sobnoj temperaturi.
Da bi prevazišli fizičku granicu silicijuma, istraživači MIT-a su koristili drugačiji skup poluprovodničkih materijala – galijum antimonid i indijum arsenid – i dizajnirali svoje uređaje da iskoriste jedinstveni fenomen u kvantnoj mehanici koji se zove kvantno tuneliranje.
Kvantno tuneliranje je sposobnost elektrona da prodiru kroz barijere. Istraživači su proizveli tunelske tranzistore, koji koriste ovu osobinu da podstaknu elektrone da prođu kroz energetsku barijeru, a ne da je prelaze.
„Sada možete lako da uključite i isključite uređaj“, kaže Šao.
Ali dok tunelski tranzistori mogu omogućiti oštre nagibe prebacivanja, oni obično rade sa malom strujom, što otežava performanse elektronskog uređaja. Veća struja je neophodna za stvaranje moćnih tranzistorskih prekidača za zahtevne aplikacije.
Koristeći alate u MIT.nano, MIT-ovom vrhunskom objektu za istraživanje nanorazmera, inženjeri su bili u mogućnosti da pažljivo kontrolišu 3D geometriju svojih tranzistora, stvarajući vertikalne heterostrukture od nanožica prečnika od samo 6 nanometara. Oni veruju da su ovo najmanji 3D tranzistori prijavljeni do danas.
Takav precizan inženjering im je omogućio da istovremeno postignu oštar nagib prebacivanja i veliku struju. Ovo je moguće zbog fenomena koji se zove kvantno ograničenje.
Kvantno zatvaranje nastaje kada je elektron zatvoren u prostor koji je toliko mali da se ne može kretati. Kada se to dogodi, efektivna masa elektrona i svojstva materijala se menjaju, omogućavajući jače tuneliranje elektrona kroz barijeru.
Pošto su tranzistori tako mali, istraživači mogu da konstruišu veoma jak efekat kvantnog zatvaranja, a istovremeno prave izuzetno tanku barijeru.
„Imamo veliku fleksibilnost da dizajniramo ove materijalne heterostrukture tako da možemo postići veoma tanku tunelsku barijeru, što nam omogućava da dobijemo veoma visoku struju“, kaže Šao.
Precizna proizvodnja uređaja koji su bili dovoljno mali da se to postigne bio je veliki izazov.
„Zaista smo u dimenzijama od jednog nanometra sa ovim radom. Vrlo malo grupa na svetu može da napravi dobre tranzistore u tom opsegu. Janđie je izuzetno sposoban da napravi tako dobro funkcionišuće tranzistore koji su tako izuzetno mali“, kaže del Alamo.
Kada su istraživači testirali svoje uređaje, oštrina nagiba prebacivanja bila je ispod osnovne granice koja se može postići sa konvencionalnim silicijumskim tranzistorima. Njihovi uređaji su takođe radili oko 20 puta bolje od sličnih tranzistora za tuneliranje.
„Ovo je prvi put da smo uspeli da postignemo tako oštru strminu prebacivanja sa ovim dizajnom“, dodaje Šao.
Istraživači sada nastoje da poboljšaju svoje metode proizvodnje kako bi tranzistori učinili ujednačenijim na čitavom čipu. Kod tako malih uređaja, čak i varijansa od 1 nanometra može promeniti ponašanje elektrona i uticati na rad uređaja.
Oni takođe istražuju vertikalne strukture u obliku peraja, pored vertikalnih nanožičanih tranzistora, koji bi potencijalno mogli da poboljšaju uniformnost uređaja na čipu.
