Et teoretisk boost til enheder i nano-skala

Halvledervirksomheder kæmper med at udvikle enheder, der kun er nanometer store, og meget af udfordringen ligger i at være i stand til mere præcist at beskrive den underliggende fysik på den nano-skala. Men en ny beregningsmetode, der har været i værk i et årti, kan nedbryde disse barrierer.

Enheder, der bruger halvledere, fra computere til solceller, har nydt enorme effektivitetsforbedringer i de sidste par årtier. Berømt, en af ​​medstifterne af Intel, Gordon Moore, bemærkede, at antallet af transistorer i et integreret kredsløb fordobles cirka hvert andet år - og denne 'Moores lov' var gældende i nogen tid.

I de seneste år, imidlertid, sådanne gevinster er bremset, da virksomheder, der forsøger at konstruere nanoskala transistorer, rammer grænserne for miniaturisering på atomniveau.

Forskere ved School of Electrical Engineering ved KAIST har udviklet en ny tilgang til halvlederes underliggende fysik.

"Med åbne kvantesystemer som hovedforskningsmål i vores laboratorium, vi genbesøgte begreber, der var blevet taget for givet og forekommer endda i standard halvlederfysikbøger såsom spændingsfaldet i drift af halvlederanordninger, "sagde hovedforsker professor Yong-Hoon Kim." Spørgsmål til, hvordan alle disse begreber kunne forstås og muligvis revideres på nanoskala, det var klart, at der var noget ufuldstændigt ved vores nuværende forståelse. "

"Og da halvlederchipsene skaleres ned til atomniveau, at komme med en bedre teori til at beskrive halvlederanordninger er blevet en presserende opgave. "

Den nuværende forståelse siger, at halvledere er materialer, der fungerer som halvvejs huse mellem ledere, som kobber eller stål, og isolatorer, som gummi eller frigolit. Nogle gange leder de elektricitet, men ikke altid. Dette gør dem til et godt materiale til bevidst at kontrollere strømmen, hvilket igen er nyttigt til konstruktion af de enkle tænd/sluk -switches - transistorer - der er grundlaget for hukommelse og logiske enheder i computere.

For at 'tænde' en halvleder, en strøm eller lyskilde anvendes, spændende en elektron i et atom for at springe fra det, der kaldes et 'valensbånd, 'der er fyldt med elektroner, op til ledningsbåndet, 'som oprindeligt er ufyldt eller kun delvist fyldt med elektroner. Elektroner, der er sprunget op til ledningsbåndet takket være eksterne stimuli og de resterende 'huller' er nu i stand til at bevæge sig rundt og fungere som ladningsbærere til at strømme elektrisk strøm.

Det fysiske koncept, der beskriver elektronernes populationer i ledningsbåndet og hullerne i valensbåndet og den energi, der kræves for at gøre dette spring, er formuleret i form af det såkaldte 'Fermi-niveau'. For eksempel, du skal kende Fermi -niveauerne for elektronerne og hullerne for at vide, hvilken mængde energi du kommer til at få ud af en solcelle, inklusive tab.

Men konceptet på Fermi -niveau er kun ligetil defineret, så længe en halvleder er i ligevægt - sidder på en hylde og gør ingenting - og hele pointen med halvlederanordninger er ikke at efterlade dem på hylden.

For omkring 70 år siden, William Shockley, den nobelprisvindende medopfinder af transistoren på Bell Labs, kom med lidt af en teoretisk fudge, 'kvasi-Fermi-niveau, 'eller QFL, muliggør grov forudsigelse og måling af interaktionen mellem valensbåndshuller og ledningsbåndselektroner, og dette har fungeret ret godt indtil nu.

"Men når du arbejder på en skala på kun et par nanometer, metoderne til teoretisk at beregne eller eksperimentelt måle opdelingen af ​​QFL'er var bare ikke tilgængelige, "sagde professor Kim.

Det betyder, at i denne skala, spørgsmål såsom fejl i forbindelse med spændingsfald får meget større betydning.

Kims team arbejdede i næsten ti år på at udvikle en ny teoretisk beskrivelse af kvantelektontransport i nano-skala, der kan erstatte standardmetoden-og den software, der giver dem mulighed for at tage den i brug. Dette involverede den videre udvikling af en smule matematik kendt som Density Functional Theory, der forenkler ligningerne, der beskriver elektronernes interaktioner, og som har været meget nyttig på andre områder, såsom opdagelse af computermaterialer med høj kapacitet.

For første gang, de var i stand til at beregne QFL -opdelingen, tilbyder en ny forståelse af forholdet mellem spændingsfald og kvanteelektontransport i atomskalaenheder.

Udover at undersøge forskellige interessante ikke-ligevægtskvantfænomener med deres nye metode, teamet videreudvikler nu deres software til et computerstøttet designværktøj, der skal bruges af halvledervirksomheder til udvikling og fremstilling af avancerede halvlederenheder.