Созданы миниатюрные транзисторы на нанотрубках без токов утечки

транзистор на нанотрубках

В течение десятилетий электронные устройства становятся все меньше и меньше и меньше. Теперь можно, используя не самые современные технологии, разместить миллионы транзисторов на одном кристалле кремния. Но транзисторы на основе полупроводников не могут уменьшаться бесконечно. По сравнению с 90-ми годами прогресс существенно замедлился. Сейчас, уменьшать размер полупроводниковых транзисторов все сложнее, а пользы от этого все меньше. Кроме того выделение тепла при работе создает проблемы с тепловыделением и энергопотреблением.

Ученые экспериментировали с различными материалами и конструкциями для транзисторов чтобы решить эти проблемы традиционных полупроводников, таких как кремний. Еще в 2007 году Йок Кхин Яп (Yoke Khin Yap , Мичиганский университет) решил попробовать что-то другое, что может открыть дверь в новый век электроники.

"Идея заключалась в том, чтобы сделать транзистор на основе наноразмерных изоляторов с нано-металлическими контактами на вершине", сказал Яп.- "В принципе, мы могли бы взять кусок пластика и создать контакты на вершинах с помощью металлического порошка. Но мы пытались создать его в наноразмерным, поэтому мы выбрали в качестве нано-изоляторов для подложки, нанотрубки из нитрида бора или BNNTs ".

Команда Япа выяснила, как сделать виртуальные BNNTs ковры, которые будут хорошими изоляторами и таким образом будут обладать высокой устойчивостью к электрическим зарядам. Используя лазеры, на вершинах BNNTs помещаются квантовые точки (QD) из золота размером до трех нанометров, образуя QD-BNNTs структуру. BNNTs являются идеальным основанием для этих квантовых точек из-за их малого, управляемого, и постоянного диаметра, а также их изолирующих свойствах. BNNTs также ограничивает размер точек, которые могут быть нанесены с помощью этой технологии.

В сотрудничестве с учеными Национальной лаборатории Oak Ridge (ORNL), они произвели эксперимент, подав электрический ток к электродам на обоих концах QD-BNNTs при комнатной температуре. И произошло что-то интересное. Электроны перепрыгнули очень точно с одной точки на другую золотую точку, продемонстрировав явление, известное как квантовое туннелирование.

«Представьте себе нанотрубки в виде реки, с электродами на каждом берегу. Теперь вообразите, что между берегами находится тоненький мостик в виде ступенек камней. Электроны прыгают по этим ступенькам, но ступеньки так малы, что на них может поместиться только один электрон. Каждый электрон проходит по такому пути, обеспечивая стабильность всего устройства в целом», - поэтически излагает принцип работы исследователь.

Команда Япа сделала транзистор без полупроводника. Когда подводится достаточное управляющее напряжение, он переключается в проводящее состояние. Когда напряжение было низким или не подводилось, он возвращается к своему естественному состоянию изолятора.

Кроме того, не было никакой "утечки" тока: ни один из электронов с золотых точек не убежал на изолирующую подложку, при этом сохраняя канал туннелирования холодным. Это совершенно не похоже на поведение полупроводниковых транзисторов, подверженных токам утечки и требующих постоянного отвода тепла.

Уже известны транзисторы, которые используют эффект квантового туннелирования, говорит физик Джон Джащщак (John Jaszczak), который разработал теоретическую основу для экспериментального исследования Япа. Однако, те туннельные устройства работали только в условиях очень низких температур (гелиевые температуры), которые вряд ли достижимы для обычного пользователя.

Секретом золотой нанотрубки Япа является его субмикроскопические размеры: один микрон в длину и около 20 нанометров в ширину. "Золотые островки могут быть порядка нанометров и обеспечивать контроль электронов при комнатной температуре", говорит Джащщак. ». Если они слишком большие, слишком много электронов может проскакивать по туннелю. В данном случае, чем меньше, тем лучше".

Подана заявка на патентование и ожидается практическая реализация технологии в серийных продуктах в самом ближайшем будущем.