Кремниевые транзисторы, которые используются для усиления и переключения сигналов, важный компонент большинства электронных устройств, от смартфонов до автомобилей. Но ниже определенного уровня напряжения полупроводники из кремния эволюционировать не в состоянии. Этот естественный предел, не дающий повысить эффективность компьютеров, называют «тиранией Больцмана». В попытке вырваться из-под ее власти физики из США разработали другой тип трехмерного транзистора из сверхтонких полупроводниковых материалов.

В электронных устройствах кремниевые транзисторы часто используются как переключатели. Под действием напряжения электроны в транзисторах проходят через энергетический барьер с одной стороны к другой, переключая устройство в положение «вкл». Таким образом, они могут выполнять бинарные вычислительные операции. Чем круче кривая переключения, тем меньше напряжения нужно для включения транзистора и выше энергетическая эффективность.

Но из-за особенностей движения электронов через энергетический барьер «тирания Больцамана» требует определенного минимума напряжения для переключения транзистора при комнатной температуре. Чтобы преодолеть этот лимит, исследователи использовали определенный набор полупроводниковых материалов — антимонид галлия и арсенид индия — и разработали устройства для использования уникального феномена квантовой механики: квантового туннелирования, или способности электронов преодолевать барьеры.

Однако обладая крутой кривой переключения, туннельные транзисторы обычно работают с малыми токами, что снижает производительность электроники. Для мощных переключателей необходимы высокие токи. Инженеры из MIT применили методы нанотехнологии для управления трехмерной геометрией транзисторов и создали вертикальные гетероструктуры с диаметром всего 6 нм.

Задействовав феномен квантовой локализации, они добились одновременно высоких показателей переключения и тока.

Благодаря крайне малым размерам транзисторов, исследователи смогли создать очень сильную квантовую локализацию, не увеличивая при этом толщину туннельного барьера, пишет MIT News. Испытания показали, что крутизна кривой переключения оказалась ниже фундаментального лимита, доступного традиционным кремниевым транзисторам. Кроме того, опытный образец был в 20 раз эффективнее аналогичных туннельных транзисторов.

«Эта технология в потенциале способна заменить кремний, так что ее можно использовать со всеми функциями, которые сейчас есть у кремния, но с намного большей энергоэффективностью», — сказал Шао Яньцзе, ведущий автор исследования из Массачусетского технологического института.

Теперь команда разработчиков занимается улучшением методов производства для более равномерного размещения транзисторов по чипу. Для устройства такого размера разница даже в 1 нм может изменить поведение электронов и повлиять на работу устройства.

Недавно инженеры из MIT разработали технологию, позволяющую создавать простые электронные схемы с помощью 3D-печати без использования полупроводниковых материалов. Для этого они использовали биоразлагаемый полимер с добавлением меди.

Источник: ХайТек+