Nanoierīce, kuras mērķis ir nomainīt lauka efekta tranzistoru

Lauka efekta tranzistors ir plaša patēriņa elektronikas nozares darba zirgs. Miljardos mikroshēmās izgrebtās ierīces, vairāk vai mazāk nepamanītas, gandrīz katrā attīstītās pasaules mājā, birojā un laboratorijā aizplūst.

Un tomēr pastāv pastāvīga problēma ar lauka efektu tranzistoriem, kas neļauj mikroshēmu dizaineriem naktīs nomodā — kā padarīt tos arvien mazākus un tādējādi saglabāt Mūra likuma nerimstošo tempu.

Lauka efekta tranzistori jau ir tik mazi, ka, padarot tos mazākus, rodas daudz problēmu, kuras nekādā gadījumā nav viegli atrisināt. Mūsdienu moderno lauka efektu tranzistoru sastāvdaļas ir tikai dažus nanometrus garas — tas ir tikai dažus atomu silīcija slāņus biezs.

Šiem silīcija slāņiem ir jābūt leģētiem ar citiem atomiem — tikai nedaudzi noderēs tik mazos komponentos. Un tur slēpjas problēma. Pat nelielas nejaušas izmaiņas dopantu atomu skaitā pusvadītāju komponentos var ļoti ietekmēt tranzistora darbību. Nekādā gadījumā nav skaidrs, kā kontrolēt šīs atšķirības ražošanas laikā. Tad ir fiziska problēma, lai ierīci ar trim spailēm padarītu vēl mazākas.

Tāpēc mikroshēmu dizaineri ļoti vēlētos iegūt citu ierīci, uz kuru viņi varētu paļauties, lai izveidotu mikroshēmas, kas ir blīvāk pildītas ar arvien mazākiem komponentiem.

Šodien Džeisons Marmons no Ziemeļkarolīnas universitātes Šarlotā un daži draugi atklāj tieši šādu ierīci gaismas efekta tranzistora veidā. Tas būtībā ir vads, kas vada, kad tas tiek peldēts gaismā, un izolē, kad ir tumšs. Citiem vārdiem sakot, tas ir gaismas modulēts slēdzis. Komanda saka, ka tā jaunā ierīce ir vienkāršāka nekā lauka efekta tranzistors un nepaļaujas uz leģētiem atomiem, tāpēc to var samazināt un tādējādi turpināt Mūra likumu.

Pirmkārt, nedaudz fona. Lauka efekta tranzistors ir ierīce ar trim spailēm — avotu, kanalizāciju un aizbīdni. Strāvas daudzumu, kas plūst starp avotu un noteci, nosaka vārtiem pievadīts spriegums. Tas ieslēdz vai izslēdz strāvu.

Gaismas efekta tranzistors darbojas pavisam citādi. Tas ir vienkārši nanovads, caur kuru var plūst strāva atkarībā no gaismas daudzuma, kas tajā nonāk. Citiem vārdiem sakot, ir iespējams izmantot gaismu, lai ieslēgtu vai izslēgtu strāvu.

Šajā fotokonduktīvajā efektā nav nekā īpaši jauna vai īpaša. Tas notiek, kad gaismas absorbcija palielina elektronu un caurumu skaitu pusvadītājā, tādējādi palielinot tā vadītspēju.

Tomēr fotovadoši materiāli nekad nav bijuši piemēroti kā tranzistori, jo efekts darbojas tikai materiāla virsmas tuvumā un neizplatās visā tā masā. Tāpēc tie nerada uzticamus slēdžus.

Bet tas mainās, ja fotovadošs materiāls ir tikai dažus atomu slāņus biezs. Tādā gadījumā fotovadības efekts rodas visā materiālā, padarot to daudz izturīgāku kā slēdzi.

Marmon un co darbs sastāv no kadmija un selēna izgatavotu pusvadītāju nanovadu uzvedības raksturošanas. Un viņi saka, ka šie vadi demonstrē dažas noderīgas un unikālas darbības.

Sākumā vadi darbojas labi kā slēdži, kas pēc dažiem rādītājiem ir labi salīdzināmi ar lauka efekta tranzistoriem. Piemēram, tie ļauj plūst miljons reižu vairāk strāvas, kad tie ir ieslēgti, salīdzinot ar izslēgtiem, kad tie darbojas ar aptuveni 1,5 V spriegumu. [Gaismas efekta tranzistors] var atkārtot mūsdienu lauka efekta tranzistora pamata pārslēgšanas funkciju ar konkurētspējīgu (un potenciāli uzlabotas) īpašības, saka Marmons un citi.

Taču tiem vadiem ir arī pilnīgi jaunas iespējas. Ierīce darbojas kā optiskais pastiprinātājs un var veikt arī pamata loģiskās darbības, izmantojot divus vai vairākus lāzera starus, nevis vienu. To nevar izdarīt viens lauka efekta tranzistors.

Un lielā priekšrocība ir tā, ka, tā kā fotovadītspējas efektam nav nepieciešami piedevas atomi, tas nav jutīgs pret nejaušas variācijas problēmām, kas skar lauka efekta tranzistorus. Nanovadi ir arī vienkāršāki nekā lauka efekta tranzistori, tāpēc tie ir potenciāli lētāki un vieglāk izgatavojami.

Protams, priekšā ir daudz šķēršļu, pirms šīs ierīces var iebūvēt integrētās mikroshēmās vai pat ražot rūpnieciskā mērogā. Elektronikas inženieri vēlēsies labāk izprast ierīces raksturlielumus plašākos apstākļos, jo īpaši attiecībā uz pārslēgšanās ātrumu. Viņi arī vēlēsies uzzināt, kā tas darbojas ar modernām masveida ražošanas metodēm.

Tad ir jautājums par mikroshēmu arhitektūru — kā ar gaismu precīzi risināt aptuveni miljardu nanovadu un kā tas ietekmē enerģijas patēriņu?

Tomēr gaismas efektu tranzistori piedāvā virkni aizraujošu iespēju, jo īpaši attiecībā uz optiskās loģikas darbībām. Būs interesanti redzēt, kur pētnieki to ņems tālāk.

Atsauce: arxiv.org/abs/1601.04748 : gaismas efekta tranzistors (LET) ar vairākām neatkarīgām vadības ierīcēm optisko loģisko vārtiem un optiskajam pastiprinājumam

paslēpties