Nanovidenskabsfolk foreslår brug af støvsugere til at overvinde grænserne for konventionel siliciumbaseret halvlederelektronik

Med fremkomsten af ​​halvledertransistorer - opfundet i 1947 som erstatning for omfangsrige og ineffektive vakuumrør - er der kommet den konstante efterspørgsel efter hurtigere, mere energieffektive teknologier. For at opfylde dette behov, forskere ved University of Pittsburgh foreslår et nyt spin på en gammel metode:et skifte fra brugen af ​​siliciumelektronik tilbage til støvsugere som et medium til elektrontransport - udviser et betydeligt paradigmeskifte inden for elektronik. Deres resultater blev offentliggjort online i Naturnanoteknologi 1. juli.

I de sidste 40 år har antallet af transistorer placeret på integrerede kredsløb i enheder som computere og smartphones er fordoblet hvert andet år, producere hurtigere og mere effektive maskiner. Denne fordoblingseffekt, almindeligvis kendt som "Moores lov, "skete ved forskernes evne til konstant at skrumpe transistorstørrelsen, dermed producerer computerchips med all-round bedre ydeevne. Imidlertid, da transistorstørrelser har nærmet sig lavere nanometerskalaer, det er blevet stadig vanskeligere og dyrere at forlænge Moores lov yderligere.

"Fysiske barrierer blokerer forskere i at opnå mere effektiv elektronik, "sagde Hong Koo Kim, hovedforsker på projektet og Bell of Pennsylvania/Bell Atlantic Professor ved University of Pittsburghs Swanson School of Engineering. "Vi arbejdede på at løse denne vejspærring ved at undersøge transistorer og dens forgænger - vakuumet."

Den ultimative grænse for transistorhastighed, siger Kim, bestemmes af "elektron -transittiden, "eller den tid, det tager en elektron at rejse fra den ene enhed til den anden. Elektroner, der rejser inde i en halvleder, oplever ofte kollisioner eller spredning i solid-state-mediet. Kim ligner dette med at køre et køretøj på en ujævn vej-biler kan ikke køre hurtigt meget op. Ligeledes elektronenergien, der er nødvendig for at producere hurtigere elektronik, er forhindret.

"Den bedste måde at undgå denne spredning - eller trafikprop - ville være at slet ikke bruge noget medium, som vakuum eller luften i et nanometer skala rum, "sagde Kim." Tænk på det som et fly på himlen, der skaber en uhindret rejse til sin destination. "

Imidlertid, siger Kim, konventionelle vakuumelektroniske enheder kræver højspænding, og de er ikke kompatible med mange applikationer. Derfor, hans team besluttede at redesigne strukturen af ​​vakuumelektronisk enhed helt. Med bistand fra Siwapon Srisonphan, en Pitt -ph.d. -kandidat, og Yun Suk Jung, en Pitt -postdoktor i el- og computerteknik, Kim og hans team opdagede, at elektroner fanget inde i en halvleder ved grænsefladen med et oxid- eller metallag let kan ekstraheres ud i luften. Elektronerne i grænsefladen danner et ladningsark, kaldes todimensionel elektrongas. Kim fandt ud af, at den coulombiske frastødning - interaktionen mellem elektrisk ladede partikler - i elektronlaget muliggør let emission af elektroner ud af silicium. Teamet ekstraherede elektroner effektivt fra siliciumstrukturen ved at anvende en ubetydelig mængde spænding og placerede dem derefter i luften, giver dem mulighed for at rejse ballistisk i en kanal i nanometer-skala uden kollisioner eller spredning.

"Emission af dette elektronsystem til vakuumkanaler kunne muliggøre en ny klasse laveffekt, højhastighedstransistorer, og det er også kompatibelt med nuværende siliciumelektronik, komplementere denne elektronik ved at tilføje nye funktioner, der er hurtigere og mere energieffektive på grund af den lave spænding, "sagde Kim.

Med dette fund, han siger, der er potentiale for, at vakuumtransistorkonceptet kan komme tilbage, men på en fundamentalt anderledes og forbedret måde.