Nanotranzistory s kvantovou technológiou prinesú lepšiu elektroniku

Kremíkové tranzistory používané na zosilnenie a prepínanie signálov v integrovaných obvodoch sú základom, na ktorom stojí väčšina elektronických zariadení, od smartfónov po TV. Kremíková technológia však naráža na jeden z fyzikálnych limitov, nazývaný „Boltzmannova tyrania„. Tá bráni tranzistorom pracovať pod určitým napätím, čím obmedzuje energetickú účinnosť elektroniky. V konečnom dôsledku to spôsobuje obrovské energetické straty, ktoré sú problémom hlavne pri veľkých dátových centrách a serveroch na tréning AI.

Výskumníci z MIT sa snažia tento limit prekonať pomocou nového typu tranzistorov, vyrobených pomocou sady ultratenkých polovodičových materiálov. Tieto tranzistory s vertikálnymi nanodrôtmi o šírke len niekoľko nanometrov (nm) môžu poskytovať výkon porovnateľný s najmodernejšími kremíkovými tranzistormi a efektívne pracovať pri oveľa nižších napätiach. Tranzistory využívajú kvantové mechanické vlastnosti na súčasné dosiahnutie nízkonapäťovej prevádzky a vysokého výkonu na ploche len niekoľkých nm². Bolo by možné umiestniť viac týchto 3D tranzistorov do čipu pre rýchlu a výkonnú elektroniku, ktorá bude energeticky účinnejšia.

V digitálnych čipoch kremíkové tranzistory fungujú ako spínače. Privedenie napätia na tranzistor spôsobí, že elektróny sa pohybujú cez energetickú bariéru, čím sa tranzistor prepne z „vypnutého“ na „zapnutý“. Zodpovedá to binárnym stavom „0“ a „1“. Sklon volt-ampérovej charakteristiky odráža ostrosť prechodu z „vypnutého“ na „zapnutý“. Čím je sklon strmší, tým menšie napätie je potrebné na zapnutie tranzistora a tým väčšia je jeho energetická účinnosť.

Nový procesor Apple M4 MAX

Keďže sa elektróny pohybujú cez energetickú bariéru, Boltzmannova tyrania vyžaduje určité minimálne napätie na prepínanie tranzistora. Na prekonanie fyzického limitu kremíka použili vedci z MIT kombináciu antimonidu gália a arzenidu india (GaSb/InAs) a navrhli svoj tranzistor tak, aby využili jav nazývaný kvantové tunelovanie.

Keď vlna v podobe elementárnej častice (napr. elektrónu) v klasickej fyzike narazí na bariéru, ktorej výška (meraná v energii) je nižšia ako kinetická energia elektrónu, časť vlny sa odrazí a časť prejde. Podobne, ako keď morská vlna narazí na útes, ktorý je nižší ako výška vlny. No v mikrosvete môže vlna prejsť cez prekážku aj v prípade, keď je energetická bariéra vyššia. Pri kvantovom tunelovaní častica (elektrón)  porušuje princíp klasickej fyziky tým, že prechádza potenciálovou bariérou, ktorá je vyššia ako energia častice.

Závislosť pravdepodobnosti tunelovania cez bariéru

Pomocou nástrojov v centre MIT.nano dokázali inžinieri vytvárať vertikálne nanodrôtové heteroštruktúry s priemerom iba 6 nm. Veria, že ide o najmenšie 3D tranzistory, ktoré boli doteraz ohlásené. Takýto precízny postup im umožnil dosiahnuť ostrý spínací sklon a zároveň vysoký prúd tranzistora vďaka javu nazývanému kvantové obmedzenie.

Kvantové obmedzenie nastáva, keď je elektrón obmedzený na priestor, ktorý je taký malý, že sa nemôže pohybovať. Keď k tomu dôjde, efektívna hmotnosť elektrónu a vlastnosti materiálu sa zmenia, čo umožní silnejšie tunelovanie elektrónu cez bariéru. Pretože tranzistory sú také malé, vedci môžu vytvoriť silný kvantový efekt a zároveň extrémne tenkú bariéru. Keď vedci testovali nové tranzistory, ostrosť spínacieho sklonu bola pod základnou hranicou, ktorú môžu dosiahnuť bežné kremíkové tranzistory.

Vedci sa teraz snažia vylepšiť výrobné metódy, aby boli tranzistory jednotnejšie v celom čipe. „Aby bola táto technológia v budúcnosti komerčne dostupná, je ešte potrebné prekonať veľa výziev, ale koncepčne je to skutočne prelom,“ hovorí hlavný autor Jesús del Alamo, profesor inžinierstva na katedre elektrotechniky a informatiky MIT (EECS). Výskum bol publikovaný v časopise Nature Electronics a na jeho financovaní sa podieľa aj Intel Corporation.