Беспереходный транзистор ведёт микросхемы к новым масштабам
Первый в мире транзистор без полупроводниковых переходов выстроен ирландскими физиками. Как ни страно, неспециализированный принцип устройства был предложен 85 лет назад, но лишь сейчас его удалось материализовать. В это же время столь долгожданный новичок разрушает один из серьёзных барьеров, стоящих на пути предстоящего уплотнения электронных схем.
90 нанометров, 60, 30 — кто меньше? Характерные размеры отдельных элементов схемы при изготовлении всяческих процессоров и чипов памяти медлительно, но настойчиво подбираются к масштабу, за которым в производстве появятся важные сложности. И одна из них — необходимость филигранной «высадки» на поверхности исходной кремниевой пластины разных легирующих примесей, каковые превращают полупроводник в материал с различными типами проводимости (дырочной и электронной, либо p- и n-типа).
За счёт таких добавок в нужных точках появляются p-n-переходы — промежуточные территории в месте контакта двух кусков полупроводника с избытком электронов и дырок по обе стороны от границы. Эти переходы — сердце любого транзистора.
Полевые транзисторы – база всей современной электроники. В них ток через проводящий канал управляется перпендикулярным электрическим полем, изменяющимся в зависимости от полярности и величины напряжения на затворе.Данный класс транзисторов со своей стороны подразделяется на различные типы, наиболее значимым из которых есть MOSFET (металл-оксид полупроводник либо легко МОП).
Тут затвор изолирован от канала весьма узким слоем диэлектрика (в большинстве случаев диоксида кремния). На рисунке продемонстрированы три вариации MOSFET: слева – с индуцированным (вверху) и встроенным каналами p-типа (и базой n-типа), а справа – транзистор, у которого подложка и канал владеют противоположными типами проводимости, другими словами n и p соответственно. Как прекрасно видно, без p-n-переходов тут не обойтись (иллюстрации с сайта wikipedia.org).
Беда в том, что в современных транзисторах, приобретаемых в составе интегральных схем, «капли» этих разнонаправленных добавок уже составляют по 10 нанометров в поперечнике (а также меньше) и практически соседствуют между собой. А «статистический» темперамент внесения атомов примесей и их предстоящая диффузия очень сильно затрудняют получение перехода с чётко границами и заданными размерами уже на таких масштабах. На горизонте маячит тупик.
Лилиенфельд (вверху) в начале XX века, само собой разумеется, ничего не знал о нанопроводках, но неспециализированный принцип работы полевого транзистора с изолированным затвором сформулировал и обосновал именно он. Первые трудящиеся транзисторы для того чтобы типа показались лишь в первой половине 60-ых годов двадцатого века, но по конструкции заметно отличались от прибора, обрисованного Юлием, что повлекло за собой последовательность как плюсов (для облегчения производства), так и минусов (для самих схем).Коленж (внизу) говорит, что его сегодняшний вариант транзистора идеологически самый близок к уникальному проекту 85-летней давности, разве что выполнен в другом масштабе – с поправкой на современные возможности миниатюризации (фото wikipedia.org, Tyndall National Institute).
Выход из него удалось отыскать Жану-Пьеру Коленжу (Jean-Pierre Colinge) и его сотрудникам из ирландского национального университета Тиндалла (Tyndall National Institute). Причём они возродили на новом витке развития техники весьма давешнюю идея — транзистор, в котором нет никаких переходов и необходимости в узких градиентах легирующих примесей в толще материала.
«Не смотря на то, что мысль транзистора без переходов может показаться достаточно необыкновенной, само слово „транзистор“ не подразумевает необходимого наличия переходов по собственной сути», — пишут авторы опыта. И так как выдвинута была эта мысль задолго до появления самих электронной промышленности и микросхем.
Всё нынешнее разнообразие транзисторов берёт своё начало в работах австро-венгерского физика Юлия Эдгара Лилиенфельда (Julius Edgar Lilienfeld), предложившего первый вариант данного прибора ещё в 1925 году.
В силу последовательности технологических ограничений в последующие годы люди создали и выстроили множество иных по строению транзисторов, но не тот самый, о котором рассуждал изобретатель этого нужного устройства. Это осуществила лишь команда Коленжа.
Её транзистор складывается из кремниевого нанопровода n-типа (проводящий канал), что окружает очень узкий слой диоксида кремния. Поверх него лежит собственного рода «скоба» из полупроводника p-типа. Она есть затвором, и уже одно его присутствие быстро уменьшает количество свободных электронов в области канала под «скобой».
В случае если между стоком и истоком имеется напряжение, электроны всё равняется не побегут по каналу — затвор не разрешит.
Схема беспереходного транзистора Коленжа и его сотрудников. Ключ к появлению этого устройства – техника получения узкого (поперечником всего в пара десятков атомов) нанопровода при помощи гравировки фокусированным электронным лучом.
Подробности изучения раскрывает статья в Nature Nanotechnology и пресс-релиз университета (иллюстрация Nature Nanotechnology).
«Это „обручальное кольцо“ — структура, которая „сдавливает“ проводящий кремний так же, как вы останавливаете поток воды в шланге, сжав его», — образно поясняет Жан-Пьер вмешательство затвора в работу нанопроводка. Но подача напряжения на затвор заставляет его «ослабить хватку», и ток начинает проходить.
Подобно несколько выстроила «зеркальный» вариант собственного транзистора, в котором нанопровод владеет проводимостью p-типа, а «обручальное кольцо» — n-типа. Принцип работы совокупности от для того чтобы обращения не изменяется, не смотря на то, что изменяются главные носители заряда.
Авторы устройства информируют, что оно имеет отличную вольт-амперную чёрта, очень низкий меньшее воздействие и ток утечки на обычную работу температуры скачков и затвора напряжения, чем у нынешних транзисторов.
Пройдя путь от транзисторов «на ножках» в 1960-х до транзисторов, «выращенных» сходу на поверхности схем в начале 1970-х, число этих главных элементов в одной схеме за тридцать лет выросло с нескольких сотен до более чем двух миллиардов. В случае если мы желаем и дальше двигаться такими темпами, не так долго осталось ждать нам потребуется что-то большее, чем очевидное изменение масштаба составных частей.
Нельзя исключать, что это «большее» – именно транзистор без p-n-переходов (фотографии с сайта wikipedia.org).
Небольшой ток утечки, со своей стороны, благоприятно воздействует на энергопотребление схемы. «Беспереходное устройство близко к совершенным электрическим особенностям и ведёт себя как самый идеальный транзистор. Помимо этого, оно владеет потенциалом для более стремительной работы с применением меньшей энергии, чем простые транзисторы в сегодняшних процессорах», — утверждает Коленж.
Но куда занимательнее возможности для промышленников. «Эту конструкцию легко изготовить кроме того в миниатюрном масштабе, что приводит нас к большому прорыву в потенциальном сокращении затрат», — додаёт Жан-Пьер.
на данный момент команда ирландских физиков ведёт переговоры с некоторыми из ведущих компаний — производителей полупроводниковых схем с целью предстоящего развития и, быть может, лицензирования данной разработке.
