Nanoenheten som syftar till att ersätta fälteffekttransistorn

Fälteffekttransistorn är hemelektronikindustrins arbetshäst. Inhuggna i mikrochips i miljarder, dessa enheter bävar bort, mer eller mindre obemärkt, i praktiskt taget alla hem, kontor och laboratorier i den utvecklade världen.

Och ändå finns det ett ständigt problem med fälteffekttransistorer som håller chipdesigners vakna på natten – hur man kan göra dem allt mindre och därigenom hålla uppe den obevekliga takten i Moores lag.

Fälteffekttransistorer är redan så små att om de blir mindre leder till en mängd utmaningar som inte på något sätt är lätta att lösa. Komponenterna i dagens toppmoderna fälteffekttransistorer är bara några få nanometer långa - det är bara några atomära kisellager tjocka.

Dessa kiselskikt måste dopas med andra atomer - bara en handfull kommer att göra susen i så små komponenter. Och däri ligger problemet. Även små slumpmässiga variationer i antalet dopningsatomer i halvledarkomponenter kan ha en enorm effekt på transistorns beteende. Hur man kontrollerar dessa variationer under tillverkningen är inte på något sätt klart. Sedan finns det fysiska problemet med att göra en enhet med tre terminaler ännu mindre.

Så chipdesigners skulle verkligen älska att ha en annan enhet som de kunde lita på för att bygga chip som är tätare packade med allt mindre komponenter.

Idag avslöjar Jason Marmon vid University of North Carolina i Charlotte och några kompisar just en sådan enhet i form av en ljuseffekttransistor. Detta är i huvudsak en tråd som leder när den badar i ljus och isolerar när det är mörkt. Det är med andra ord en strömbrytare som moduleras av ljus. Teamet säger att dess nya enhet är enklare än en fälteffekttransistor och inte förlitar sig på dopantatomer, så den kan göras mindre och därigenom fortsätta Moores lag.

Först lite bakgrund. En fälteffekttransistor är en enhet med tre terminaler - en source, en drain och en gate. Mängden ström som flyter mellan source och drain bestäms av spänningen som appliceras på grinden. Detta slår på eller av strömmen.

En ljuseffekttransistor fungerar på ett helt annat sätt. Det är helt enkelt en nanotråd genom vilken ström kan flöda beroende på mängden ljus som träffar den. Det är med andra ord möjligt att använda ljus för att slå på eller av strömmen.

Det finns inget särskilt nytt eller speciellt med denna fotokonduktiva effekt. Det uppstår när absorptionen av ljus ökar antalet elektroner och hål i en halvledare, vilket ökar dess konduktivitet.

Fotokonduktiva material har dock aldrig varit lämpliga som transistorer eftersom effekten endast fungerar nära materialets yta och inte sträcker sig över hela dess bulk. Så de gör inte pålitliga växlar.

Men det förändras när ett fotokonduktivt material bara är några atomlager tjockt. I så fall uppstår den fotokonduktiva effekten i hela materialet, vilket gör det mycket mer robust som en strömbrytare.

Marmon och cos arbete består i att karakterisera beteendet hos halvledande nanotrådar gjorda av kadmium och selen. Och de säger att dessa kablar visar några användbara och unika beteenden.

Till att börja med fungerar ledningarna bra som omkopplare som i vissa mått mäter sig bra med fälteffekttransistorer. Till exempel tillåter de en miljon gånger mer ström att flöda när de är på jämfört med avstängda när de arbetar med en spänning på cirka 1,5 V. [En ljuseffekttransistor] kan replikera den grundläggande omkopplingsfunktionen hos den moderna fälteffekttransistorn med konkurrenskraftiga (och potentiellt förbättrade) egenskaper, säger Marmon och co.

Men dessa kablar har också helt nya möjligheter. Enheten fungerar som en optisk förstärkare och kan också utföra grundläggande logiska operationer genom att använda två eller flera laserstrålar istället för en. Det är något en enstaka fälteffekttransistor inte kan göra.

Och den stora fördelen är att eftersom den fotokonduktiva effekten inte kräver dopantatomer, är den inte mottaglig för problemen med slumpmässig variation som plågar fälteffekttransistorer. Nanotrådar är också enklare än fälteffekttransistorer och därför är de potentiellt billigare och lättare att tillverka.

Naturligtvis finns det många hinder framför dessa enheter innan de kan byggas in i integrerade chips eller till och med tillverkas i industriell skala. Elektronikingenjörer kommer att vilja ha en bättre förståelse av enhetens egenskaper under ett bredare spektrum av förhållanden, särskilt när det gäller växlingshastighet. De vill också veta hur det går med moderna massproduktionstekniker.

Sedan är det frågan om chiparkitektur – hur adresserar man en miljard eller så nanotrådar korrekt med ljus och hur påverkar detta strömförbrukningen?

Icke desto mindre erbjuder ljuseffekttransistorer en rad fascinerande möjligheter, särskilt när det gäller optiska logiska operationer. Det ska bli intressant att se var forskarna tar detta härnäst.

Ref: arxiv.org/abs/1601.04748 : Ljuseffekttransistor (LET) med flera oberoende grindkontroller för optiska logiska grindar och optisk förstärkning

Dölj