Nanozařízení, jehož cílem je nahradit tranzistor s efektem pole

Tranzistor s efektem pole je tahounem průmyslu spotřební elektroniky. Tato zařízení, vyřezávaná do mikročipů v miliardách, se více či méně nepozorovaně vzdalují prakticky v každé domácnosti, kanceláři a laboratoři v rozvinutém světě.

A přesto existuje věčný problém s tranzistory s efektem pole, který nedává návrhářům čipů v noci spát – jak je zmenšit, a tak udržet krok s neúprosným tempem Mooreova zákona.

Tranzistory s efektem pole jsou již tak malé, že jejich zmenšení vede k mnoha výzvám, které není v žádném případě snadné vyřešit. Součásti dnešních nejmodernějších tranzistorů s efektem pole mají délku jen několik nanometrů – to je tloušťka jen několika vrstev atomového křemíku.

Tyto křemíkové vrstvy musí být dopovány jinými atomy – v tak malých součástkách stačí jen hrstka. A v tom je ten problém. I malá náhodná odchylka v počtu atomů dopantu v polovodičových součástkách může mít obrovský vliv na chování tranzistoru. Jak kontrolovat tyto odchylky během výroby není v žádném případě jasné. Pak je tu fyzický problém udělat zařízení se třemi svorkami ještě menší.

Návrháři čipů by tedy velmi rádi měli další zařízení, na které by se mohli spolehnout při výrobě čipů, které jsou hustěji zaplněny stále menšími součástkami.

Dnes Jason Marmon z University of North Carolina v Charlotte a několik přátel odhaluje právě takové zařízení v podobě tranzistoru se světelným efektem. Jedná se v podstatě o drát, který vede, když se koupe ve světle, a izoluje, když je tma. Jinými slovy, je to spínač modulovaný světlem. Tým říká, že jeho nové zařízení je jednodušší než tranzistor s efektem pole a nespoléhá na atomy dopantu, takže ho lze zmenšit a tím pokračovat v Moorově zákonu.

Nejprve nějaké pozadí. Tranzistor s efektem pole je zařízení se třemi svorkami – zdrojem, kolektorem a hradlem. Množství proudu, které protéká mezi zdrojem a kolektorem, je určeno napětím aplikovaným na bránu. Tím se proud zapíná nebo vypíná.

Tranzistor se světelným efektem funguje úplně jiným způsobem. Je to jednoduše nanodrát, kterým může proudit proud v závislosti na množství světla, které na něj dopadá. Jinými slovy, je možné použít světlo k zapnutí nebo vypnutí proudu.

Na tomto fotovodivém efektu není nic zvlášť nového nebo zvláštního. Dochází k němu, když absorpce světla zvyšuje počet elektronů a děr v polovodiči, čímž se zvyšuje jeho vodivost.

Fotovodivé materiály však nikdy nebyly vhodné jako tranzistory, protože efekt funguje pouze blízko povrchu materiálu a nerozšíří se po celém jeho objemu. Nedělají tedy spolehlivé spínače.

To se však změní, když má fotovodivý materiál tloušťku pouze několika atomárních vrstev. V takovém případě se fotovodivý efekt vyskytuje v celém materiálu, takže je mnohem robustnější jako spínač.

Práce Marmon and co spočívá v charakterizaci chování polovodičových nanodrátů vyrobených z kadmia a selenu. A říkají, že tyto dráty demonstrují některé užitečné a jedinečné chování.

Pro začátek fungují vodiče dobře jako spínače, které se podle některých měřítek dobře srovnávají s tranzistory s efektem pole. Například umožňují, aby protékal milionkrát více proudu, když jsou zapnuté, ve srovnání s vypnutým při provozu při napětí asi 1,5 V. [Transistor se světelným efektem] může replikovat základní spínací funkci moderního tranzistoru s efektem pole s konkurenčními (a potenciálně zlepšené) vlastnosti, říkají Marmon a spol.

Ale tyto dráty mají také zcela nové možnosti. Zařízení funguje jako optický zesilovač a může také provádět základní logické operace pomocí dvou nebo více laserových paprsků namísto jednoho. To je něco, co jeden tranzistor s efektem pole nedokáže.

A velkou výhodou je, že protože fotovodivý efekt nevyžaduje atomy dopantu, není náchylný k problémům náhodných změn, které sužují tranzistory s efektem pole. Nanodrátky jsou také jednodušší než tranzistory s efektem pole, a proto jsou potenciálně levnější a jednodušší na výrobu.

Než bude možné tato zařízení zabudovat do integrovaných čipů nebo dokonce vyrobit v průmyslovém měřítku, čeká nás samozřejmě mnoho překážek. Elektroničtí inženýři budou chtít lépe porozumět charakteristikám zařízení v širším rozsahu podmínek, zejména s ohledem na rychlost přepínání. Budou také chtít vědět, jak si vede s moderními výrobními technikami hromadné výroby.

Pak je tu otázka architektury čipu – jak přesně oslovíte miliardu nanodrátů světlem a jak to ovlivní spotřebu energie?

Nicméně tranzistory se světelným efektem nabízejí řadu fascinujících možností, zejména s ohledem na optické logické operace. Bude zajímavé sledovat, kam to vědci vezmou příště.

Ref: arxiv.org/abs/1601.04748 : Tranzistor se světelným efektem (LET) s vícenásobným nezávislým ovládáním hradla pro optická logická hradla a optické zesílení

skrýt