За рамками кремния: транзисторы без полупроводников

В течение десятилетий электронные устройства становились всё меньше, меньше и меньше. Теперь можно запросто разместить миллионы транзисторов на одном кристалле кремния. Но меньше транзисторы на основе полупроводников уже не станут.

«Учитывая текущую скорость развития технологии, за 10 или 20 лет они не станут меньше, — сказал физик Ёк Хин Яп (Yoke Khin Yap) из Мичиганского технологического университета. — Также у полупроводников есть другой недостаток — большой расход энергии с выделением тепла».

Для решения этих проблем учёные экспериментировали с различными материалами и конструкциями транзисторов, всегда используя полупроводниковые материалы (такие как кремний). Еще в 2007 году Яп хотел попробовать что-то другое, что сможет открыть дверь в новый век электроники.

«Идея заключалась в том, чтобы сделать транзистор на основе наноразмерного изолятора с наноразмерными металлом сверху, — сказал он. — В принципе, если сделать всё правильно, то можно создать устройство, взяв кусок пластика и распылив по его поверхности горсть металлического порошка. Но мы пытались сделать это на наноуровне, поэтому выбрали наноизолятор, нанотрубки из нитрида бора (BNNT) в качестве подложки».

Электроны проходят через цепочку из золотых квантовых точек, расположенных на нанотрубках из нитрида бора.

Группа Япа смогла создать виртуальный слой нанотрубок из нитрида бора, являющихся изоляторами с высокой степенью сопротивления электрическому разряду. Используя лазеры, группа поместила золотые квантовые точки (QD) с диаметром в 3 нанометра на поверхности BNNT, формируя связь QD-BNNT. BNNT — идеальная подложка для используемых квантовых точек в силу малого, контролируемого, однородного диаметра, а также изолирующей природы. BNNT ограничивают размер наносимых точек.

В сотрудничестве с учёными из Окриджской национальной лаборатории (ORNL) они подожгли электроды на обоих концах QD-BNNT при комнатной температуре, что привело к интересному результату. Электроны точно перепрыгивали с одной золотой точки на другую. Данный феномен известен под названием «квантовое туннелирование».

«Представьте, что нанотрубки — река с электродами на каждом берегу. Теперь представьте, что реку пересекают камни, по которым её можно перейти, — говорит Яп. — Электроны перепрыгивали с одного золотого камня на другой. Камни очень малы — только один электрон может находиться на камне. Все электроны идут по одному и тому же пути, поэтому устройство очень стабильно».

Группа Япа создала транзистор без полупроводника. При достаточном напряжении он переключается в проводящее состояние. При низком напряжении или отсутствии напряжения он возвращается в своё естественное состояние изолятора.

Более того, отсутствуют утечки: электроны не переходят с золотых точек на изолирующие нанотрубки, охлаждая тоннельный канал. Напротив, в кремнии происходят утечки, при которых осуществляется неэффективный расход энергии в электронных устройствах и генерирование большого количества тепла.

Другие исследователи создали транзисторы, использующие квантовое туннелирование, говорит физик Мичиганского университета Джон Ясцжак (John Jaszczak), разработавший теоретическую базу экспериментальных исследований Япа. Но туннельные устройства работали исключительно в условиях, не подходящих для типичного пользователя мобильных телефонов.

«Они работают при температурах жидкого состояния гелия», — сказал Ясцжак.

Секрет устройства Япа, состоящего из золотых точек и нанотрубок, в его субмикроскопическом размере: один микрон в длину и примерно 20 нанометров в ширину.

«Золотые точки должны располагаться друг от друга на расстоянии в несколько нанометров, чтобы контролировать электроны при комнатной температуре, — сказал Ясцжак. — Если точки слишком большие, то по ним сможет проходить больше электронов». В данном случае, действительно, чем меньше, тем лучше: «Работа с нанотрубками и квантовыми точками позволит сделать устройство любого требуемого размера».

«Теоретически, каналы туннелирования можно уменьшить до значений, близких к нулю, если расстояния между электродами уменьшить до малой доли микрона», — сказал Яп.

Яп подал заявку на получение международного патента по данной технологии.

www.ostec-group.ru

На данном сайте используются cookie для сбора информации технического характера и обрабатывается Ваш IP-адрес. Продолжая использовать этот сайт, вы даете согласие на использование файлов cookies.