ابداع ترانزیستورهای ۳ بعدی که برتر از فناوری سیلیکون هستند

پژوهشگران موسسه فناوری ماساچوست(MIT) نوع جدیدی از ترانزیستورهای سه بعدی را توسعه داده‌اند که می‌تواند نسبت به ترانزیستورهای مبتنی بر سیلیکون فعلی از نظر انرژی کارآمدتر و قدرتمندتر باشد.

این ترانزیستورهای سه بعدی جدید با استفاده از مواد نیمه‌رسانای فوق نازک طراحی شده‌اند.

یانجیه شائو(Yanjie Shao) فوق دکترای MIT و سرپرست این مطالعه می‌گوید: این یک فناوری با پتانسیل جایگزینی سیلیکون است، بنابراین می‌توانید از آن با تمام عملکردهایی که در حال حاضر سیلیکون دارد، اما با بهره‌وری انرژی بسیار بهتر استفاده کنید.

ترانزیستورها مکانیک کوانتومی را برای دستیابی به عملکرد بالا در ولتاژ پایین در یک ناحیه نانومقیاس مهار می‌کنند.

اندازه کوچک آنها راه را برای عصر جدیدی از الکترونیک فوق متراکم، با کارایی بالا و کم‌مصرف هموار می‌کند.

غلبه بر محدودیت‌ها

ترانزیستورهای سیلیکونی به عنوان سوئیچ‌های الکترونیکی عمل می‌کنند. یک اعمال ولتاژ ساده باعث تغییر حالت چشمگیر در ترانزیستور، از خاموش به روشن می‌شود. این حالت روشن/خاموش نشان دهنده ارقام باینری است که محاسبات را امکان‌پذیر می‌کند.

بازده یک ترانزیستور به شیب سوئیچ آن مرتبط است. شیب تندتر به طور مستقیم با مصرف انرژی کمتر ارتباط دارد. این بدان معنی است که ترانزیستور را می‌توان به سرعت روشن و خاموش کرد و به زمان کمتر و در نتیجه انرژی کمتری نیاز دارد.

با این حال، یک محدودیت اساسی به نام «حد بولتزمن»(Boltzmann tyranny)، حداقل ولتاژ مورد نیاز را برای عملکرد ترانزیستور در دمای اتاق تحمیل می‌کند.

این حد به طور کلی در ترانزیستورهای سیلیکونی یافت می‌شود و این ترانزیستورهای جدید برای غلبه بر آن از مواد نیمه‌رسانای فوق نازک و مکانیک کوانتومی برای دستیابی به عملکرد بالا در ولتاژ پایین استفاده می‌کنند.

محققان MIT برای ساخت این ترانزیستورهای جدید به مواد نیمه‌رسانای گالیم آنتی‌مونید(gallium antimonide) و آرسنید ایندیم(indium arsenide) روی آوردند.

علاوه بر این، آنها اصول تونل‌زنی کوانتومی را در معماری دستگاه خود گنجانده‌اند. در این پدیده، الکترون‌ها می‌توانند در موانع احتمالی نفوذ و از آنها عبور کنند.

هندسه منحصر به فرد این ترانزیستور

ترانزیستورهای تونل‌زن اغلب از جریان خروجی کم رنج می‌برند. این محدودیت مانع از عملکرد آنها در برنامه‌های کاربردی می‌شود، چرا که برای عملکرد کارآمد نیاز به جریان بالا دارند.

برای رفع این مشکل، مهندسان بر روی هندسه سه بعدی ترانزیستورها کار کردند. برای این کار، آنها ساختارهای ناهمگون نانوسیمی با قطر تنها ۶ نانومتر ساختند که این کار منجر به ایجاد کوچکترین ترانزیستورهای سه بعدی گزارش شده تا به امروز شد.

این تکنیک به لطف محصور شدن کوانتومی به آنها کمک کرد تا به شیب‌های سوئیچ شدن تیز و جریان بالا دست یابند. محصور شدن کوانتومی زمانی اتفاق می‌افتد که الکترون‌ها به فضاهای کوچک محدود شوند.

این محدودیت پتانسیل تونل‌زنی پیشرفته را باز می‌کند و عملکرد دستگاه را متحول می‌کند.

شائو می‌گوید: ما انعطاف‌پذیری زیادی برای طراحی این ساختارهای ناهمگون مواد داریم، بنابراین می‌توانیم به یک مانع تونل‌زنی بسیار نازک دست پیدا کنیم که به ما امکان می‌دهد جریان بسیار بالایی داشته باشیم.

در طول این آزمایش، دستگاه‌ها شیب سوئیچ شدن تیزتری نسبت به ترانزیستورهای سیلیکونی معمولی نشان دادند. این بدان معناست که آنها می‌توانند حالت‌ها را سریع‌تر و کارآمدتر تغییر دهند و راه را به روی دستگاه‌های الکترونیکی سریع‌تر و کم‌مصرف‌تر باز کنند.

بر اساس بیانیه مطبوعاتی پژوهشگران، این ترانزیستورها نسبت به ترانزیستورهای مشابه بهبود عملکرد ۲۰ برابری را نشان دادند.

شائو خاطرنشان کرد که این اولین بار است که توانستیم با این طراحی به چنین شیب سوئیچ شدن دقیقی دست پیدا کنیم.

محققان در تلاشند تا فرآیند ساخت این را ترانزیستورها بهبود بخشند تا از عملکرد ثابت ترانزیستور در کل تراشه اطمینان حاصل کنند.

آنها برای تقویت بیشتر یکنواختی در حال بررسی طرح‌های جایگزین ترانزیستورهای سه بعدی مانند ساختارهای باله‌ای شکل عمودی هستند.

این یافته‌ها در مجله Nature Electronics منتشر شده است.