Undersøgelse af kvantefænomener i små transistorer

Næsten 1, 000 gange tyndere end et menneskehår, nanotråde kan kun forstås med kvantemekanik. Ved hjælp af kvantemodeller, fysikere fra Michigan Technological University har fundet ud af, hvad der driver effektiviteten af ​​en silicium-germanium (Si-Ge) kerne-skal nanotrådtransistor.

Core-Shell nanotråde

Studiet, udgivet i sidste uge i Nano bogstaver , fokuserer på kvantetunnelen i en kerne-skal nanotrådstruktur. Ranjit Pati, professor i fysik ved Michigan Tech, ledet arbejdet sammen med sine kandidatstuderende Kamal Dhungana og Meghnath Jaishi.

Core-shell nanotråde er som en meget mindre version af elektrisk kabel, hvor kablets kerneområde er opbygget af andet materiale end skalområdet. I dette tilfælde, kernen er lavet af silicium og skallen er lavet af germanium. Både silicium og germanium er halvledende materialer. At være så tynd, disse halvledende kerne-skal nanotråde betragtes som endimensionelle materialer, der viser unikke fysiske egenskaber.

Arrangementerne af atomer i disse nanotråde bestemmer, hvordan elektronerne krydser dem, Pati forklarer, tilføjer, at en mere omfattende forståelse af den fysik, der driver disse nanoskalatransistorer, kan føre til øget effektivitet i elektroniske enheder.

"Ydeevnen af ​​en heterogen silicium-germanium nanotrådtransistor er meget bedre end en homogen siliciumnanowire, " siger Pati. "I vores undersøgelse, vi har afsløret de kvantefænomener, der er ansvarlige for dets overlegne ydeevne."

Felteffekttransistorer

Transistorer driver vores digitale verden. Og de plejede at være store – eller i det mindste store nok til at folk kunne se dem. Med fremskridt inden for nanoteknologi og materialevidenskab, forskere har været i stand til at minimere størrelsen og maksimere antallet af transistorer, der kan samles på en mikrochip.

Den særlige transistor, som Pati har arbejdet på, er en felteffekttransistor (FET) lavet af kerne-skal nanotråde. Den manipulerer den elektriske strøm i nanotrådskanalen ved hjælp af en gate bias. Kort fortalt, en gate bias påvirker elektrisk strøm i kanalen, ligesom en ventil styrer vandstrømmen i et rør. Gateforspændingen frembringer en elektrostatisk felteffekt, der inducerer en omskiftningsadfærd i kanalstrømmen. Styring af dette felt kan tænde eller slukke for enheden, meget som en lyskontakt.

Flere grupper har med succes fremstillet core-shell nanowire FET'er og demonstreret deres effektivitet i forhold til de transistorer, der i øjeblikket bruges i mikroprocessorer. Hvad Pati og hans team så på, er kvantefysikken, der driver deres overlegne præstation.

Kvantetunneling

Den elektriske strøm mellem source og drain i en nanotråd FET kan ikke forstås ved hjælp af klassisk fysik. Det er fordi elektroner gør mærkelige ting i så lille en skala.

"Forestil dig en fisk, der er fanget inde i et akvarium; hvis fisk har nok energi, den kunne hoppe op over væggen, " siger Pati. "Forestil dig nu en elektron i tanken:hvis den har nok energi, elektronen kunne springe ud - men selvom den ikke har nok energi, elektronen kan tunnelere gennem sidevæggene, så der er en begrænset sandsynlighed for, at vi ville finde en elektron uden for tanken."

Dette er kendt som kvantetunneling. For Pati, at fange elektronen i aktion inde i nanotrådstransistorerne er nøglen til at forstå deres overlegne ydeevne. Han og hans team brugte det, der kaldes en første-principper-kvantetransporttilgang til at vide, hvad der får elektronerne til at tunnelere effektivt i kerne-skal nanotrådene.

Kvantetunnelen af ​​elektroner - et humlespil i atomare skala - er det, der gør det muligt for elektronerne at bevæge sig gennem nanotrådsmaterialerne, der forbinder kilden og drænet. Og bevægelsen bliver mere specifik end som så:elektronerne hopper næsten udelukkende hen over germaniumskallen, men ikke gennem siliciumkernen. De gør det gennem de afstemte pz-orbitaler af germanium.

Kort fortalt, disse orbitaler, som er håndvægtformede områder med høj sandsynlighed for at finde en elektron, er perfekte landingspuder til tunnelering af elektroner. Den specifikke justering - farvekodet i diagrammet ovenfor - gør kvantetunnelering endnu nemmere. Det er ligesom forskellen mellem at prøve at grave gennem en brønd med stålvægge versus sandvægge. Den tætpakkede justering af pz-orbitaler i germaniumskallen gør det muligt for elektroner at tunnelere fra et atom til et andet, skaber en meget højere elektrisk strøm, når den er tændt. I tilfælde af homogene siliciumnanotråde, der er ingen tætpakket justering af pz-orbitaler, hvilket forklarer, hvorfor de er mindre effektive FET'er.

Nanotråde i elektronik

Der er mange potentielle anvendelser for nanowire FET'er. Pati og hans team skriver i deres Nano Letters-papir, at de "forventer, at den elektroniske orbitale niveauforståelse opnået i denne undersøgelse vil vise sig nyttig til at designe en ny generation af core-shell nanowire FET'er."

Specifikt, at have en heterogen struktur giver yderligere mobilitetskontrol og overlegen ydeevne i forhold til den nuværende generation af transistorer, ud over kompatibilitet med den eksisterende siliciumteknologi. Nanotråds-FET'erne med kerneskal kunne transformere vores fremtid ved at gøre computere mere kraftfulde, smartere telefoner og wearables, biler mere sammenkoblede og elnet mere effektive. Det næste skridt er simpelthen at tage et lille kvantespring.