ابداع ترانزیستورهای ۳ بعدی که برتر از فناوری سیلیکون هستند_بام وطن

پژوهشگران موسسه فناوری ماساچوست(MIT) نوع جدیدی از ترانزیستورهای سه بعدی را گسترش داده‌اند که می‌تواند نسبت به ترانزیستورهای مبتنی بر سیلیکون جاری از نظر انرژی کارآمدتر و پرقدرت باشد.

این ترانزیستورهای سه بعدی تازه با منفعت گیری از مواد نیمه‌رسانای فوق نازک طراحی شده‌اند.

یانجیه شائو(Yanjie Shao) فوق دکترای MIT و سرپرست این مطالعه می‌گوید: این یک فناوری با پتانسیل جایگزینی سیلیکون است، به این علت می‌توانید از آن با همه عملکردهایی که اکنون سیلیکون دارد، اما با منفعت‌وری انرژی زیاد بهتر منفعت گیری کنید.

ترانزیستورها مکانیک کوانتومی را برای دستیابی به کارکرد بالا در ولتاژ پایین در یک ناحیه نانومقیاس مهار می‌کنند.

اندازه کوچک آنها راه را برای عصر جدیدی از الکترونیک فوق متراکم، با کارایی بالا و کم‌مصرف هموار می‌کند.

تسلط بر محدودیت‌ها

ترانزیستورهای سیلیکونی به گفتن سوئیچ‌های الکترونیکی عمل می‌کنند. یک اعمال ولتاژ ساده علتتحول حالت دیدنی در ترانزیستور، از خاموش به روشن می‌شود. این حالت روشن/خاموش نشان دهنده رقم های باینری است که محاسبات را مقدور می‌کند.

بازده یک ترانزیستور به شیب سوئیچ آن مرتبط است. شیب تندتر به طور مستقیم با مصرف انرژی کمتر ربط دارد. این بدان معنی است که ترانزیستور را می‌توان به شدت روشن و خاموش کرد و به زمان کمتر و در نتیجه انرژی کمتری نیاز دارد.

با این حال، یک محدودیت اساسی به نام «حد بولتزمن»(Boltzmann tyranny)، حداقل ولتاژ مورد نیاز را برای کارکرد ترانزیستور در دمای اتاق تحمیل می‌کند.

این حد به طور کلی در ترانزیستورهای سیلیکونی یافت می‌شود و این ترانزیستورهای تازه برای تسلط بر آن از مواد نیمه‌رسانای فوق نازک و مکانیک کوانتومی برای دستیابی به کارکرد بالا در ولتاژ پایین منفعت گیری می‌کنند.

محققان MIT برای ساخت این ترانزیستورهای تازه به مواد نیمه‌رسانای گالیم آنتی‌مونید(gallium antimonide) و آرسنید ایندیم(indium arsenide) روی آوردند.

علاوه بر این، آنها اصول تونل‌زنی کوانتومی را در معماری دستگاه خود گنجانده‌اند. در این اتفاق، الکترون‌ها می‌توانند در مانع ها احتمالی نفوذ و از آنها عبور کنند.

هندسه منحصر به فرد این ترانزیستور

ترانزیستورهای تونل‌زن زیاد تر از جریان خروجی کم رنج می‌برند. این محدودیت مانع از کارکرد آنها در برنامه‌های کاربردی می‌شود، چرا که برای کارکرد کارآمد نیاز به جریان بالا دارند.

برای از بین بردن این مشکل، مهندسان بر روی هندسه سه بعدی ترانزیستورها کار کردند. برای این کار، آنها ساختارهای ناهمگون نانوسیمی با قطر تنها ۶ نانومتر ساختند که این کار تبدیل تشکیل کوچکترین ترانزیستورهای سه بعدی گزارش شده تا به امروز شد.

این تکنیک به لطف محصور شدن کوانتومی به آنها پشتیبانی کرد تا به شیب‌های سوئیچ شدن تیز و جریان بالا دست یابند. محصور شدن کوانتومی وقتی اتفاق می‌افتد که الکترون‌ها به فضاهای کوچک محدود شوند.

این محدودیت پتانسیل تونل‌زنی پیشرفته را باز می‌کند و کارکرد دستگاه را منقلب می‌کند.

شائو می‌گوید: ما انعطاف‌پذیری بسیاری برای طراحی این ساختارهای ناهمگون مواد داریم، به این علت می‌توانیم به یک مانع تونل‌زنی زیاد نازک دست اشکار کنیم که به ما امکان می‌دهد جریان زیاد بالایی داشته باشیم.

در طول این آزمایش، دستگاه‌ها شیب سوئیچ شدن تیزتری نسبت به ترانزیستورهای سیلیکونی معمولی نشان دادند. این بدان معناست که آنها می‌توانند حالت‌ها را سریع تر و کارآمدتر تحول دهند و راه را به روی دستگاه‌های الکترونیکی سریع تر و کم‌مصرف‌تر باز کنند.

بر پایه بیانیه مطبوعاتی پژوهشگران، این ترانزیستورها نسبت به ترانزیستورهای شبیه بهبود کارکرد ۲۰ برابری را نشان دادند.

شائو خاطرنشان کرد که این اولین بار است که توانستیم با این طراحی به این چنین شیب سوئیچ شدن دقیقی دست اشکار کنیم.

محققان در تلاشند تا فرآیند ساخت این را ترانزیستورها بهبود بخشند تا از کارکرد ثابت ترانزیستور در کل تراشه مطمعن حاصل کنند.

آنها برای تحکیم زیاد تر یکنواختی در حال بازدید مطرح‌های جانشین ترانزیستورهای سه بعدی همانند ساختارهای باله‌ای شکل عمودی می باشند.

این یافته‌ها در مجله Nature Electronics انتشار شده است.