Mere energieffektive transistorer gennem kvantetunnel

(PhysOrg.com) - Forskere ved University of Notre Dame og Pennsylvania State University har annonceret gennembrud i udviklingen af ​​tunneling field effect transistors (TFETs), en halvlederteknologi, der udnytter elektronernes skæve adfærd på kvantenniveau.

Transistorer er byggestenene i de elektroniske enheder, der driver den digitale verden, og meget af væksten i computerkraft i løbet af de sidste 40 år er blevet muliggjort af stigninger i antallet af transistorer, der kan pakkes på siliciumchips.

Men den vækst, hvis det overlades til den nuværende teknologi, snart er ved at være slut.

Mange inden for halvlederfeltet tror, ​​at industrien hurtigt nærmer sig de fysiske grænser for transistorminiaturisering. Det store problem i moderne transistorer er strømlækage, der fører til generering af overdreven varme fra milliarder af transistorer i umiddelbar nærhed.

De seneste fremskridt i Notre Dame og Penn State - som er partnere i Midwest Institute for Nanoelectronics Discovery (MIND) - viser, at TFET'er er på vej til at løse disse problemer ved at levere sammenlignelige ydelser til nutidens transistorer, men med meget større energieffektivitet.

De gør dette ved at udnytte elektronernes evne til at "tunnelere" gennem faste stoffer, en effekt, der ville virke som magi i menneskelig skala, men er normal adfærd på kvante -niveau.

"En transistor i dag fungerer meget som en dæmning med en bevægelig port" siger Alan Seabaugh, professor i elektroteknik ved Notre Dame og Frank M. Freimann direktør for MIND. "Den hastighed, hvormed vand strømmer, den nuværende, afhænger af portens højde. "

"Med tunneltransistorer, vi har en ny slags port, en port, som strømmen kan flyde igennem i stedet for over. Vi justerer tykkelsen på porten elektrisk for at tænde og slukke for strømmen. "

"Elektrontunneludstyr har en lang historie med kommercialisering, "tilføjer Seabaugh, "Du har sandsynligvis haft mere end en milliard af disse enheder i et USB -flashdrev. Princippet om kvantemekanisk tunneling bruges allerede til datalagringsenheder."

Selvom TFET'er endnu ikke har energieffektiviteten af ​​nuværende transistorer, papirer udgivet i december 2011 af Penn State og marts 2012 af Notre Dame viser rekordforbedringer i tunneltransistordrevstrøm, og der forventes flere fremskridt i det kommende år.

"Vores udvikling er baseret på at finde den rigtige kombination af halvledermaterialer til at bygge disse enheder på, "siger Suman Datta, professor i elektroteknik ved Penn State University.

"Hvis vi får succes, virkningen vil være betydelig med hensyn til integrerede kredsløb med lav effekt. Disse, på tur, øge muligheden for selvdrevne kredsløb, der, i forbindelse med energiindsamlingsanordninger, kunne aktivere aktiv sundhedsovervågning, omgivende intelligens, og implanterbart medicinsk udstyr. "

En anden fordel ved tunneltransistorer er, at brug af dem til at erstatte eksisterende teknologi ikke ville kræve en engrosændring i halvlederindustrien. Meget af det eksisterende kredsløbsdesign og fremstillingsinfrastruktur ville forblive det samme.

"Stærk universitetsforskning på nye enheder såsom TFET'er er afgørende for at fortsætte den hurtige teknologiudvikling, "sagde Jeff Welser, direktør for Nanoelectronics Research Initiative. "Meget af branchen erkender, at det vil tage samarbejde med både akademi og offentlige instanser at finde og udvikle disse nye koncepter."

To andre partnere i MIND -centret - Purdue University og University of Texas i Dallas - har ydet betydelige bidrag til udviklingen af ​​TFET'er gennem udviklingen af ​​nøglemodellering og analyseværktøjer.