En annan saknad komponent kan revolutionera elektroniken

Redan 1971 började Leon Chua, en ung elektronikingenjör vid University of California, Berkeley, arbeta på ett grundläggande matematiskt ramverk för elektronik. Hans teori baserades på förhållandet mellan laddning, ström, magnetiskt flöde och spänning och hur dessa elektromagnetiska storheter varierar när de passerar genom de grundläggande kretselementen i motstånd, kondensatorer och induktorer.

En ström som går genom ett motstånd skapar en spänning. För en given spänning lagrar en kondensator en viss mängd laddning. Och en ström som passerar genom en induktor genererar ett magnetiskt flöde. Men Chua såg att något saknades - en relation mellan laddning och magnetiskt flöde.

Han ansåg att det fanns en anordning för att länka dessa två kvantiteter, som han kallade en memristor, men han tänkte lite på det i mer än 30 år. Sedan, 2004, meddelade forskare vid Hewlett-Packards laboratorier att de hade skapat en memristor och att den hade den extraordinära förmågan att lagra information utan att använda ström. Det var som ett motstånd med minne.

Sedan dess har detta team och andra packat memristorer i chips för att simulera bland annat hur den mänskliga hjärnan bearbetar information. Och andra forskare har börjat leta efter memcapacitors och meminduktorer, analoga versioner av de andra passiva elektroniska komponenterna.

Den här historien väcker en intressant fråga. Finns det andra elektroniska element kvar att upptäcka, och i så fall, vad skulle de göra?

Idag får vi ett svar tack vare Sungsik Lees arbete vid Pusan ​​National University i Sydkorea. Medan Chua fokuserade på passiva elektroniska komponenter som motstånd och kondensatorer, har Lee studerat egenskaperna hos aktiva elektroniska komponenter som transistorer. Han säger att han har identifierat en annan lucka - och att den saknade enheten, om den kan byggas, kommer att få djupgående konsekvenser för elektronikens framtid.

Lees resonemang fokuserar på den mest framträdande aktiva elektroniska enheten: transistorn. Den har en utgång som kan kopplas om av en ström- eller spänningsingång. En transistor är med andra ord ett sätt att slå på och av ström.

Men det finns ingen jämförbar enhet för att byta spänning. Han ämnar beskriva en sådan anordning.

Transistorer tar en insignal och överför den till strömutgången, snarare som ett variabelt motstånd. Därav namnet - en kombination av överföring och motstånd. Däremot skulle enheten han föreställer sig överföra en insignal till en spänningsutgång, som en variabel kondensator. Så Lee kallar det en trancitor.

Han fortsätter med att föreslå hur det kan användas. En uppenbar tillämpning är att para ihop en trancitor och en transistor för att skapa kretsar som är mycket enklare och mer energieffektiva än befintliga konstruktioner. Till exempel visar Lee hur det skulle vara möjligt att skapa en enkel spänningsförstärkare med en enkel transistor och en enkel transistor. Däremot kräver en konventionell version av denna krets fyra transistorer.

Lee fortsätter med att simulera en sådan krets och säger att resultatet är mindre, mindre effekthungrigt och snabbare än konventionella kretsar med endast transistorer.

Det har betydande konsekvenser för elektroniska enheter. Transistor-transitorkretsar skulle ta upp betydligt mindre utrymme, använda mindre ström och arbeta med högre hastigheter än konventionella kretsar. Trancitors skulle ge ett nytt paradigm för elektronik, säger Lee.

Men det finns en viktig obesvarad fråga - hur man bygger en trancitor.

Lee säger att hans nya enhet skulle kunna fungera genom att använda den välkända Hall-effekten, som producerar en spänning över en ledare när ett magnetfält appliceras i en riktning som är vinkelrät mot strömmen. Men hur detta skulle kunna utnyttjas i nanometerskala i CMOS-kompatibla kretsar är inte klart.

Dagens elektroniska kretsar har optimerats under decennier, så varje ny enhet skulle behöva komma ikapp.

En anledning till att Chuas memristor tog så lång tid att hitta var att de materialegenskaper som gör att den kan fungera endast kan manipuleras på atomär skala. Så det fanns inget sätt att göra en effektivt förrän relativt nyligen.

Hall-effekten fungerar verkligen på skalan av subatomära laddningsbärare. Så allt vi behöver nu är någon driftig elektronikingenjör för att hitta ett sätt att bygga en transitor och använda den.

Ref: arxiv.org/abs/1805.05842 : En saknad aktiv enhet—transitor för ett nytt paradigm av elektronik

Dölj