Forskere opretter en enkelt enhed, der er i stand til dobbelt transistordrift

Transistorer, byggestenene til moderne enheder, fungere som elektroniske kontakter, der styrer strømmen på tværs af kredsløb. I de sidste årtier har de er krympet mere end 1000 gange i størrelse, gør enheder som bærbare computere og smartphones hurtigere og mere kompakte.

Når de bliver mindre, imidlertid, de forbruger også og spilder mere strøm. Den mest almindelige type transistorer kaldet MOSFET'er kan ikke pludselig skifte fra til og fra, og derfor lækstrøm, selv efter at enheden er slukket - jo mindre de er, jo mere strøm spilder de. Nylige alternativer, der kaldes tunnel FET'er, forventes at spilde meget mindre strøm, men er mere velegnede til enheder med lav ydeevne, såsom ure eller notebook-computere.

For første gang, forskere ved Indian Institute of Science (IISc) har kombineret disse to forskellige typer transistorer til en enkelt enhed, der let kan skifte mellem strømeffektive og højtydende tilstande, afhængigt af behovet. Enheden har en særlig type metal-halvlederforbindelse, som kan justeres for at få den til at opføre sig enten som en MOSFET eller en tunnel FET.

"Du har fleksibilitet, "siger Shubhadeep Bhattacharjee, Ph.d. studerende på Center for Nano Science and Engineering, IISc og første forfatter til papiret udgivet i Anvendt fysik bogstaver . "Ved hjælp af den samme enhed, du kan enten have høj ydeevne, som går på kompromis med strømmen, eller en optimal ydelse, drift med lav effekt. Tænk på det som at bruge den samme bil som enten en Tata Nano eller en Mercedes Benz. "

De første transistorer var i palmestørrelse, men i dag er de flere tusinde gange mindre end bredden af ​​et menneskehår. "Det gode ved denne miniaturisering er, at vi nu er i stand til at proppe flere funktioner inden for et lille område, "siger seniorforfatter Navakanta Bhat, Stol, Center for Nano Science and Engineering, IISc. Derfor er smartphones i stand til at gøre mere i dag, end hvad mange tidligere computere var i stand til.

Transistorer såsom konventionelle MOSFET'er, bruges i næsten alle elektroniske gadgets i dag, fungerer typisk som sluseporte i en dæmning. De har en kilde, et dræn, og en port, der styrer elektronstrømmen mellem de to. Når porten er i OFF -position, der er en stor energibarriere mellem kilden og afløbet, som forhindrer elektroner i at krydse over. Når der spændes, porten er tændt, højden af ​​barrieren reduceres, og elektroner er i stand til at springe over den. Jo mindre forsyningsspændingen er nødvendig for at tænde transistoren, jo mere effektiv enheden er.

Imidlertid, forskere har ikke været i stand til at sænke forsyningsspændingen for MOSFET'er proportionalt med transistorstørrelse, på grund af en grundlæggende designfejl. En faktor kaldet subthreshold swing - som bestemmer den minimale gate -spænding, der kræves for at transistoren kan skifte fra til og fra - begrænser forsyningsspændingen til en vis nedre grænse på ca. 1 volt. Det betyder, at den maksimale effektivitet, som MOSFET'er kan opnå, vil blive stærkt begrænset, uanset hvilken størrelse de er. "Dette er en grundlæggende begrænsning pålagt af fysik, da antallet af elektroner, der er i stand til at springe barrieren, styres af Boltzmann -statistikker, "siger Bhat.

For at overvinde denne begrænsning, forskere har forsøgt at bruge transistorer kaldet tunnel FET'er, hvor, i stedet for højde , det bredde af elektronbarrieren reduceres til et punkt, hvor elektroner er i stand til at "tunnelere" gennem barrieren i stedet for at hoppe over den. Tunnel FET'er kan fungere ved lavere forsyningsspændinger og er meget mere effektive. Men de har også en ulempe:det ønskede output - strømmen, der flyder, når transistoren er tændt - reduceres kraftigt.

I dette studie, for første gang, forskerne designede en hybrid -enhed, der er i stand til at skifte mellem MOSFET- og tunnel FET -tilstande ved at bruge to porte i stedet for en, og en særlig type elektronbarriere kaldet Schottky -krydset. Schottky -barrieren skabes, når et metal og en halvleder forbindes under visse betingelser. Forskerne brugte specifikke designprocesser til at skabe et Schottky -kryds, hvor højden og bredden af ​​barrieren kan justeres uafhængigt. Svovlbehandling blev brugt til at muliggøre denne kontaktteknik. Ud over, portmaterialet blev deponeret ved hjælp af e-beam fordampning, i stedet for den konventionelle metode til deponering af atomlag.

Den dobbeltportede enhed var i stand til at fungere ved en lavere spænding end muligt med konventionelle MOSFET'er, reducerer kraftforbruget kraftigt. Dette ville muliggøre reduktion af driftsspændingen til mindre end en halv volt. Det viste også overlegen ydeevne i forhold til nuværende state-of-the-art tunnel FET'er.

Det nye sammensatte design giver meget mere fleksibilitet i transistorfunktionen end tidligere muligt, og kan forbedre effektiviteten af ​​elektroniske enheder betydeligt, siger forfatterne.