 Одна из самых больших проблем в эволюции электроники заключается в том, чтобы снизить энергопотребление во время операции переключения транзистор. Инженеры из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, в сотрудничестве с университетом Райса, продемонстрировали новый транзистор, который переключается только при напряжении 0,1 вольт только и уменьшает рассеивание мощности более чем на 90% по сравнению с современными кремниевыми транзисторами.
Транзисторы были строительным блоки электроники с 1970 года. Тем не менее, для поддержания постоянно растущей необходимости увеличения плотности транзисторов, миниатюризация транзисторов привело к проблемам рассеиваемой мощности из-за фундаментальных ограничений их характеристик переключения. В сущности, нынешнее состояние транзисторных технологий ограничивает потенциал повышения энергоэффективности цифровых схем в целом.
Исследовательская группа приняла новый подход к подрыву этого фундаментального ограничения. Они использовали квантово-механическое явление туннелирования, чтобы создать транзистор с эффектом туннельного поля. Они реструктурировали источник транзистора на канале перехода, чтобы отфильтровать электроны высокой энергии, которые могут диффундировать через барьер источника/канала даже в выключенном состоянии, тем самым делая ток в выключенном состоянии ток ничтожно малым.
Мировая индустрия электроники теряет миллиарды долларов каждый год из-за воздействия рассеиваемой мощности на стоимость и надежность микросхем. Это приводит к снижению срока службы батареи в личных устройствах, таких как сотовые телефоны и ноутбуки, и массивному энергопотреблению серверов в крупных центрах обработки данных.
Промышленность, которая опирается на обычных полупроводники, сталкивается с ограничениями, поскольку эти материалы имеют высокую плотность поверхностных состояний, которые увеличивают утечку тока и ухудшают подпороговый скачок.
Транзистор с эффектом туннельного поля, разработанный исследователями, преодолевает эту проблему несколькими способами, наиболее значимым из которых является использование многоуровневого двумерного материала, называемого дисульфидом молибдена. В то время как токоведущий канал помещается на легированный германий в качестве источника электрода, дисульфид молибдена предлагает идеальную поверхность и толщину всего в 1.3 нм. Образованная вертикальная гетероструктура предоставляет уникальный нерасширяющийся переход.
Суть идеи заключается в объединении трехмерных и двумерных материалов в уникальной гетероструктуре. Это позволяет получить эффективный квантово-механический туннельный барьер, который может быть легко настроен гейтом.
Работа исследователей является значительным шагом вперед в поисках низкого логического напряжения транзистора. Она демонстрирует потенциал двумерных материалов для реализации долгожданного устройства низкого напряжения. Полученный транзистор может быть использован для ряда приложений с низким энергопотреблением – например, биодатчиков и датчиков газа. Благодаря улучшенной производительности, область применения этого транзистора может быть расширена.
Эта работа представляет собой важный шаг к реальному применению двумерных материалов в электронике. Использование двумерных материалов в туннельных транзисторах началось совсем недавно, и эти исследования дает всей области еще один сильный толчок в дальнейшем улучшении характеристик таких устройств.
|
