Het nanodevice dat de veldeffecttransistor wil vervangen

De veldeffecttransistor is het werkpaard van de consumentenelektronica-industrie. Deze apparaten zijn in miljarden microchips uitgehouwen en verdwijnen, min of meer onopgemerkt, in praktisch elk huis, kantoor en laboratorium in de ontwikkelde wereld.

En toch is er een eeuwigdurend probleem met veldeffecttransistors dat chipontwerpers 's nachts wakker houdt - hoe ze steeds kleiner kunnen worden en daardoor het meedogenloze tempo van de wet van Moore kunnen volhouden.

Veldeffecttransistoren zijn al zo klein dat het kleiner maken ervan tot een groot aantal uitdagingen leidt die zeker niet eenvoudig op te lossen zijn. De componenten van de huidige state-of-the-art veldeffecttransistoren zijn slechts enkele nanometers lang - dat is slechts een paar atomaire siliciumlagen dik.

Deze siliciumlagen moeten worden gedoteerd met andere atomen - slechts een handvol zal het lukken in zulke kleine componenten. En daar zit het probleem. Zelfs een kleine willekeurige variatie in het aantal doteringsatomen in halfgeleidercomponenten kan een enorm effect hebben op het gedrag van de transistor. Hoe u deze variaties tijdens de fabricage kunt beheersen, is geenszins duidelijk. Dan is er nog het fysieke probleem om een ​​apparaat met drie terminals nog kleiner te maken.

Dus chipontwerpers zouden dolgraag een ander apparaat willen hebben waarop ze kunnen vertrouwen om chips te bouwen die dichter opeengepakt zijn met steeds kleinere componenten.

Vandaag onthullen Jason Marmon van de Universiteit van North Carolina in Charlotte en een paar vrienden zo'n apparaat in de vorm van een lichteffecttransistor. Dit is in wezen een draad die geleidt wanneer het in het licht baadt en isoleert wanneer het donker is. Met andere woorden, het is een door licht gemoduleerde schakelaar. Het team zegt dat het nieuwe apparaat eenvoudiger is dan een veldeffecttransistor en niet afhankelijk is van doteringsatomen, dus het kan kleiner worden gemaakt en daarmee de wet van Moore voortzetten.

Eerst wat achtergrond. Een veldeffecttransistor is een apparaat met drie aansluitingen: een bron, een afvoer en een poort. De hoeveelheid stroom die tussen de source en drain stroomt, wordt bepaald door de spanning die op de gate wordt toegepast. Hiermee wordt de stroom in- of uitgeschakeld.

Een lichteffecttransistor werkt op een heel andere manier. Het is gewoon een nanodraad waardoor stroom kan vloeien, afhankelijk van de hoeveelheid licht die erop valt. Met andere woorden, het is mogelijk om met licht de stroom aan of uit te zetten.

Er is niets bijzonders of bijzonders aan dit fotogeleidende effect. Het treedt op wanneer de absorptie van licht het aantal elektronen en gaten in een halfgeleider verhoogt, waardoor de geleidbaarheid ervan toeneemt.

Fotogeleidende materialen zijn echter nooit geschikt geweest als transistors, omdat het effect alleen werkt in de buurt van het oppervlak van het materiaal en zich niet over de hele massa uitbreidt. Ze maken dus geen betrouwbare schakelaars.

Maar dat verandert wanneer een fotogeleidend materiaal slechts enkele atoomlagen dik is. In dat geval treedt het fotogeleidende effect in het hele materiaal op, waardoor het als schakelaar veel robuuster is.

Het werk van Marmon en co bestaat uit het karakteriseren van het gedrag van halfgeleidende nanodraden gemaakt van cadmium en selenium. En ze zeggen dat deze draden nuttig en uniek gedrag vertonen.

Om te beginnen werken de draden goed als schakelaars die door sommige maatregelen goed te vergelijken zijn met veldeffecttransistoren. Ze laten bijvoorbeeld een miljoen keer meer stroom vloeien wanneer ze aan zijn dan uit wanneer ze werken op een spanning van ongeveer 1,5 V. [Een lichteffecttransistor] kan de basisschakelfunctie van de moderne veldeffecttransistor nabootsen met concurrerende (en potentieel verbeterde) kenmerken, zeggen Marmon en co.

Maar ze hebben ook geheel nieuwe mogelijkheden. Het apparaat werkt als een optische versterker en kan ook logische basisbewerkingen uitvoeren door twee of meer laserstralen te gebruiken in plaats van één. Dat is iets wat een enkele veldeffecttransistor niet kan.

En het grote voordeel is dat, omdat het fotogeleidende effect geen doteringsatomen vereist, het niet vatbaar is voor de problemen van willekeurige variatie die veldeffecttransistoren teisteren. Nanodraden zijn ook eenvoudiger dan veldeffecttransistoren en dus potentieel goedkoper en gemakkelijker te maken.

Natuurlijk zijn er nog veel hindernissen voordat deze apparaten in geïntegreerde chips kunnen worden ingebouwd of zelfs op industriële schaal kunnen worden geproduceerd. Elektronica-ingenieurs zullen een beter begrip willen hebben van de kenmerken van het apparaat in een breder scala van omstandigheden, met name met betrekking tot de schakelsnelheid. Ze zullen ook willen weten hoe het vergaat met moderne productietechnieken voor massaproductie.

Dan is er nog de kwestie van de chiparchitectuur: hoe adresseer je nauwkeurig een miljard nanodraden met licht en hoe beïnvloedt dit het stroomverbruik?

Desalniettemin bieden lichteffecttransistoren een scala aan fascinerende mogelijkheden, vooral met betrekking tot optische logische bewerkingen. Het zal interessant zijn om te zien waar de onderzoekers dit vervolgens mee naartoe nemen.

Referentie: arxiv.org/abs/1601.04748 : Light-Effect Transistor (LET) met meerdere onafhankelijke poortcontroles voor optische logische poorten en optische versterking

zich verstoppen