211service.com
Een ander ontbrekend onderdeel kan een revolutie teweegbrengen in de elektronica
In 1971 begon Leon Chua, een jonge elektronica-ingenieur aan de University of California, Berkeley, te werken aan een fundamenteel wiskundig raamwerk voor elektronica. Zijn theorie was gebaseerd op de relaties tussen lading, stroom, magnetische flux en spanning en de manier waarop deze elektromagnetische grootheden variëren als ze door de basiscircuitelementen van weerstanden, condensatoren en inductoren gaan.
Een stroom die door een weerstand gaat, creëert een spanning. Voor een gegeven spanning slaat een condensator een bepaalde hoeveelheid lading op. En een stroom die door een inductor gaat, genereert een magnetische flux. Maar Chua zag dat er iets ontbrak: een relatie tussen lading en magnetische flux.
Hij poneerde het bestaan van een apparaat om die twee grootheden met elkaar te verbinden, dat hij een memristor noemde, maar hij dacht er meer dan 30 jaar weinig over na. Toen, in 2004, kondigden onderzoekers van de laboratoria van Hewlett-Packard aan dat ze een memristor hadden gemaakt en dat deze het buitengewone vermogen had om informatie op te slaan zonder stroom te gebruiken. Het was als een weerstand met geheugen.
Sindsdien hebben dit team en anderen memristors in chips verpakt om onder meer de manier te simuleren waarop het menselijk brein informatie verwerkt. En andere onderzoekers zijn begonnen met het zoeken naar memcapacitors en meminductors, analoge versies van de andere passieve elektronische componenten.
Dit verhaal roept een interessante vraag op. Zijn er nog andere elektronische elementen te ontdekken, en zo ja, wat zouden ze dan doen?
Vandaag krijgen we een antwoord dankzij het werk van Sungsik Lee aan de Pusan National University in Zuid-Korea. Terwijl Chua zich toelegde op passieve elektronische componenten zoals weerstanden en condensatoren, heeft Lee de eigenschappen van actieve elektronische componenten zoals transistors bestudeerd. Hij zegt dat hij nog een hiaat heeft ontdekt - en dat het ontbrekende apparaat, als het kan worden gebouwd, ingrijpende gevolgen zal hebben voor de toekomst van de elektronica.
Lee's redenering richt zich op het meest prominente actieve elektronische apparaat: de transistor. Het heeft een uitgang die kan worden geschakeld door een stroom- of spanningsingang. Met andere woorden, een transistor is een manier om stroom aan en uit te schakelen.
Maar er is geen vergelijkbaar apparaat om een spanning te schakelen. Hij wil zo'n apparaat beschrijven.
Transistoren nemen een ingangssignaal en dragen dit over naar de huidige uitgang, in plaats van een variabele weerstand. Vandaar de naam - een combinatie van overdracht en weerstand. Daarentegen zou het apparaat dat hij zich voorstelt een ingangssignaal omzetten in een spanningsuitgang, zoals een variabele condensator. Dus Lee noemt het een trancitor.
Hij gaat verder met te suggereren hoe het kan worden gebruikt. Een voor de hand liggende toepassing is het koppelen van een trancitor en een transistor om circuits te creëren die veel eenvoudiger en energiezuiniger zijn dan bestaande ontwerpen. Lee laat bijvoorbeeld zien hoe het mogelijk zou zijn om een eenvoudige spanningsversterker te maken met een enkele trancitor en een enkele transistor. Een conventionele versie van dit circuit vereist daarentegen vier transistoren.
Lee gaat verder met het simuleren van zo'n circuit en zegt dat het resultaat kleiner, minder energieverslindend en sneller is dan conventionele circuits met alleen transistors.
Dat heeft grote gevolgen voor elektronische apparaten. Transistor-trancitorcircuits zouden aanzienlijk minder ruimte innemen, minder stroom verbruiken en met hogere snelheden werken dan conventionele circuits. Trancitors zouden een nieuw paradigma van elektronica brengen, zegt Lee.
Maar er is een belangrijke onbeantwoorde vraag: hoe een trancitor te bouwen.
Lee zegt dat zijn nieuwe apparaat zou kunnen werken door gebruik te maken van het bekende Hall-effect, dat een spanning over een geleider produceert wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd in een richting loodrecht op de stroom. Maar hoe dit op nanometerschaal kan worden benut in CMOS-compatibele circuits is niet duidelijk.
De elektronische circuits van vandaag zijn in de loop van tientallen jaren geoptimaliseerd, dus elk nieuw apparaat zou een inhaalslag moeten maken.
Een van de redenen waarom Chua's memristor er zo lang over deed om te vinden, was dat de materiaaleigenschappen die het mogelijk maken om te werken alleen op atomaire schaal kunnen worden gemanipuleerd. Dus er was tot voor kort geen manier om er een efficiënt te maken.
Het Hall-effect werkt zeker op de schaal van subatomaire ladingsdragers. Dus alles wat we nu nodig hebben, is een ondernemende elektronica-ingenieur om een manier te vinden om een trancitor te bouwen en in gebruik te nemen.
Referentie: arxiv.org/abs/1805.05842 : Een ontbrekend actief apparaat - Trancitor voor een nieuw paradigma van elektronica