Veijo Hänninen

Kvanttiutuvia transistoreita

Yhä pienempää energian käyttöä tavoitellen transistoreille etsitään uusia toteutustapoja. Nyt ovat vuorossa kvanttivaikutukset ja aivotoimintojen matkiminen.

Tutkimuslaitoksissa on kehitetty jo yhden nanometrin porttipituuden omaava transistorirakenne. Berkely Lab toteutti sellaisen hiilinanoputkella ja MoS2:n atomikerroksella. Kun atomistinenkin transistorirakenne on jo saavutettu on aika siirtyä uusiin konsepteihin.

Kvanttitransistoreita grafeenihiutaleista

Viime vuonna Italialaisen Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzatin (SISSA) -tieteilijät kertoivat tutkineensa grafeenin nanohiutaleita, jotka mahdollistaisivat kvantti-ilmiöiden hyödyntämisen virrankulun ohjailussa.

Teoreettisella analyysillä ja simulaatioilla tehdyssä tutkimuksessa havaittiin kaksi keskeistä ilmiötä grafeenisten nanohiutaleiden ominaisuuksissa.

Ensimmäinen ilmiö liittyy elektronien ja sen kvantti-ilmiön välisiin interferensseihin: nanohiutaleissa elektronit interferoivat toisiaan tuhoisalla tavalla, jolloin virta ei kulje.

Tämän tyyppinen kvantti-ilmiö esiintyy vain hyvin pienissä mitoissa. Samalla kuitenkin havaittiin, että ilmiö on mahdollista tuoda suurempaan järjestelmään eli nanomaailmaan jossa se on havaittavissa ja voidaan hyödyntää mahdollisissa nanoelektroniikan käyttötavoissa.

Tällöin kyseessä olisi kvantti-interferenssiin tukeutuva transistori, jossa tuhoisat interferenssit olisivat "off" -tila ja "on" -tilalle riittää interferenssin poistaminen, jolloin virta kulkee.

Nanohiutaleiden luontaisten magneettisten ominaisuuksien ansiosta uudet löydöt edustavat merkittävää edistysaskelta myös spintroniikan alalla.

Kaksiulotteisuus tehostaa transistoria

Nykyisillä materiaaleilla transistorin riittävän kytkentäjyrkkyyden ylläpitämiseksi tarvitaan vähintään 60 millivolttinen hilajännitteen muutos muuttamaan virtaa dekadin verran.

Sen vähentämiseen on tähdätty paitsi negatiivisen porttikapasitanssin (NC-FET) omaavalla ratkaisulla mutta myös kvanttimekaniikan ilmiötä hyödyntävillä tunneloivilla feteillä (TFET).

Vuonna 2015 Kalifornian Santa Barbaran yhdessä Rice yliopiston insinöörien kanssa demosivat kaksiulotteisista materiaaleista tehtyä transistoria, joka kytkee vain 0,1 voltilla ja pienentää tehohävikkiä yli 90 prosenttia verrattuna parhaimpiin piimosfetteihin.

Tutkijoiden kehittämä transistorirakenne hyödyntää kaistalta kaistalle tunnelointia (BTBT) tunnelikanavatransistorissa (TFET) jolle saatiin alle 30 millivolttinen muutos per dekadi neljän dekadin nieluvirta-alueella.

Materiaalina oli molybdeenidisulfidi (MoS2) ja rakenteen pystysuora heterorakenne tarjoaa uudenlaisen lähde-kanava liitoksen, joka on matala este virtaa kantaville elektroneille tunneloitua germaniumista MoS2:een ohuen van der Waalsin raon ja laajan tunnelointialueen kautta.

Nanolanka kanavana

Useat ryhmät ovat onnistuneesti valmistaneet ydin-kuori nanolanka fettejä ja osoittaneet niiden tehokkuuden olevan parempia kuin tällä hetkellä mikroprosessoreissa käytetyillä transistoreilla.

Esimerkiksi IBM:n tutkijat ovat ampuneet elektroneja pitkin III-V puolijohteista nanolankaa, joka on integroitu piille. Kun elektronit lennätetään ballistisesti läpi nanolangan se tapahtuu ilman siroamista. Näin nanolanka toimii täydellisenä putkena elektroneille siten, että elektronin täysi kvantti-informaatio (energia, liikemäärä, spin) voidaan siirtää ilman häviöitä.

Nanolankoja voidaan ymmärtää kvanttimekaniikan kautta ja niitä käyttämällä Michiganin teknillisen yliopiston fyysikot ovat selvittäneet mikä ajaa pii-germanium (Si-Ge) ydin-kuori nanolankatransistorin tehokkuutta.

Michiganin tutkijat toteuttivat elektronin läpiajon tapahtumaan GeSi-nanolangan poikki lähes yksinomaan germaniumin kuorella, mutta ei piiytimessä. Ne tekevät sen läpi kohdakkain olevien germaniumin pz -orbitaalien.

Tiheästi linjautuneet pz-orbitaalit germaniumin kuorella mahdollistavat elektronien tunneloitua atomista toiseen, luoden paljon suuremman on-tilan sähkövirran. Kun kyseessä on homogeeninen piinanolanka, sillä ei ole tiivisti pakattuja pz-orbitaalien linjauksia, mikä selittää, miksi ne ovat vähemmän tehokkaita FETtejä.

Elektronien kvanttitunnelointi germanium-atomeja pitkin ydin-kuori nanolanka -transistorissa. Lähekkäin pakattujen käsipainon oloisien pz-orbitaalien tiivis linjaus ohjaa tunneloinnin fysiikkaa.

Kaksitoiminen kvanttitransistori

Montrealin Concordia yliopiston tutkijat kertoivat tehneensä läpimurron, joka auttaisi tekemään elektroniikkalaitteista entistä älykkäämpiä.

Työssä hyödynnettiin elektronien kvanttiominaisuutta. Tutkijat selvittivät elektronien ja aukkojen kuljetuksen epäsymmetriaa ultralyhyen kanavan kvanttitransistorissa. Näin selvisi, että noin 500 atomia pitkillä rakenteilla positiiviset varaukset ovat rajoittuneempia ja toimivat enemmän hiukkasten tapaan, kun taas negatiiviset varaukset ovat vähemmän rajoitettuja ja toimivat pikemminkin kuin aallot.

Tulos viittaa siihen, että elektronien kvanttiominaisuuksia voisi hyödyntää informaation tallentamiseen.

Maksimoimalla positiivisien ja negatiivisien varauksien käyttäytymisen eroa voisi tuottaa uuden sukupolven kvanttielektronisia rakenteita, joilla voi olla sovelluksia kvanttilaskennassa, säteilyantureissa ja transistorielektroniikassa.

jännittävimpiä vaikutuksia ovat kvanttipiirien rakentaminen yhdellä komponentilla, joka voi joko tallentaa tai välittää kvantti-informaatiota yhdessä kytkintoiminnan kanssa

"Lisäksi näitä ultralyhytkanavaisia nanoputkitransistoreja voitaisiin käyttää välineenä elektroniikan, magnetismin, mekaniikan ja optiikan välisen vuorovaikutuksen tutkimiseen kvanttitasolla," kuvaili aihetta tutkija Andrew McRae yliopistonsa tiedotteessa vuonna 2017.

Kaksitoiminen materiaali

Äskettäin Ohio State Universityn tutkimusryhmä löysi tavan yksinkertaistaa, sitä miten elektroniset laitteet hyödyntävät elektroneja. He löysivät materiaalin, joka pystyy palvelemaan elektroniikassa kahta roolia, kun historiallisesti on tarvittu useita materiaaleja.

Havainnot saattavat merkitä sitä, miten insinöörit luovat erilaisia elektronisia laitteita. Elektroniset laitteet toimivat siirtämällä elektroneja ja aukkoja eli negatiivisia ja positiivisia varauksia mutta ne vaativat kumpikin oman materiaalin.

Ohio State tutkijat löysivät NaSn2As2-kiteen, joka voi kuljettaa näitä eri kantajia materiaalin tasomaisessa ja poikittaisessa suunnissa ja siten mahdollisesti poistaa useiden eri materiaalikerrosten tarpeen.

Tutkijat nimesivät tämän kaksoiskyvyn ilmiön "goniopolariteetiksi". He uskovat, että materiaali toimii tällä tavalla sen ainutlaatuisen elektronisen rakenteen takia, ja sanovat, että on todennäköisesti olemassa muitakin kerrostettuja materiaaleja, joilla on osoittaa tämä ominaisuus.

Maailman ensimmäinen lämpötransistori

Vuonna 2017 Linköpingin yliopiston Organic Electronics laboratorion Dan Zhao ja Simone Fabiano ovat luoneet lämpösähköisen orgaanisen transistorin. Lämpötilan nousu yhdellä asteella riittää aiheuttamaan havaittavan virtamodulaation transistorissa.

"Olemme ensimmäinen maailmassa esittää logiikkapiiri, tässä tapauksessa transistori, jota ohjataan lämpösignaalilla sähköisen signaalin sijaan," toteaa Organic Electronics laboratorion professori Xavier Crispin.

Lämmöllä ohjautuva transistori avaa mahdollisuuksia monille uusille sovelluksille, kuten havaitsemaan pieniä lämpötilaeroja ja siten käyttää vaikkapa lääketieteen vaatetuksissa paranemisprosessin seurantaan.

Monipuolisia orgaanisia transistoreita

Tyypillisesti orgaaniset transistorit ovat pienten virtojen komponentteja.

Tänä vuonna Ludwig-Maximilians Universität Münchenin (LMU) fyysikot kertoivat kehittäneensä orgaanisen transistorin, joka toimii sekä matalien että korkeiden virtojen alueella.

Saavutuksen avain on yhdistelmä transistorin epätyypillisestä geometriaa ja erityistä porttimateriaalia, joka toimii on-off-kytkimenä. Koko transistoria ympäröi elektrolyyttiliuos ja käytetyn jännitteen funktiona ionit siirtyvät tai poistuvat puolijohdemateriaalissa, mikä kytkee transistorin päälle ja pois.

Uusien piirien mahdollisiin sovellusalueisiin kuuluvat OLEDit ja anturit, joissa tarvitaan pieniä jännitteitä, suuria ON-tilanvirrantiheyksiä tai suuria transkoduktansseja.

Synaptinen transistori muistaa

Aivojemme miljardeja neuroneita yhdistävät toisiinsa synapsit, jotka paitsi kokoavat lukemattomia logiikkapiirejä myös sopeutuvat jatkuvasti ärsykkeisiin, vahvistavat joitakin yhteyksiä ja heikentäen toisia.

Tällainen oppimisprosessi mahdollistaa sellaiset nopeat ja erittäin tehokkaat laskennalliset prosessit, joille eivät tietokoneetkaan pärjää. Ihmismieli, toimii ilmiömäisellä laskentateholla noin 20 watin teholla, joten se tarjoaa luonnollisen mallin insinööreille.

Harvard School of Engineering and Applied Sciencesin (SEAS) materiaalitutkijat kertoivat vuonna 2013 luoneensa transistorin, joka jäljittelee aivojen synapsin käyttäytymistä. Se säätelee samanaikaisesti sekä piirin tiedonkulkua että mukautuu fyysisesti muuttuviin signaaleihin.

Nykyaikaisten materiaalien epätavallisia ominaisuuksia hyödyntäen, synapsinen transistori voisi olla alku uudenlaisen tekoälylle. Sillä toivotaan saavutettavan muun muassa elektroniikassa tavoiteltu energian kulutuksen vähentäminen.

Kun biologisen synapsin kalsiumionit ja reseptorit saavat aikaan muutoksen, vastaava muutos saadaan aikaan keinotekoisessa versiossa happi-ioneilla. Vaihtuva pitoisuus ioneja puolijohteessa nostaa tai laskee sen johtokykyä ja aivan kuten aivojen synapsissa, liitoksen lujuus riippuu sähköisen signaalin kestosta.

Memristorista tehokas kytkin

Elektroniikan perusongelma on, että transistorikytkimissä kulkee lepotilavirtaa vaikka ne ovat off-tilassa. Vastaavasti on-tilassa niissä tapahtuu piirirakenteita lämmittäviä tehohäviöitä.

Mekaanisilla kytkimillä ei näitä ongelmia ollut mutta niitä on vaikea kuvitella käytettäväksi nykylaitteissa.

University of Utahin sähkö- ja tietotekniikan professori Massoudin Tabib-Azar ja hänen insinööritiiminsä kertoi vuonna 2016 keksineensä tavan tuottaa mikroskooppisia elektronisia kytkimiä kodinkoneille ja laitteille, jotka kasvattavat ja liuottavat johteita piirin sisällä niin, että ne kytkevät ja katkaisevat sähkön kulun.

Kehitetyissä kytkimissä käytetään kiinteitä elektrolyyttejä, kuten kuparisulfidia kirjaimellisesti kasvamaan langaksi kahden elektrodin välissä. Sähkövirran napaisuuden vaihto saa metallisen johteen elektrodien välissä hajoamaan, jolloin kytkin on auki. Kolmatta elektrodia käytetään ohjaamaan tätä prosessia kasvamaan ja hajottamaan lankaa.

Keksinnön perusta on jyrkän off-siirtymän omaava memristori. Koska sellaisen kytkentämekanismi perustuu ionien liikkeeseen sekä hapetus/pelkistämis-prosessiin, memristorit tavallaan täyttävät MEMSen ja MOSFETin välisen kuilun.

Porttielektrodin avulla memristorirakennetta voidaan ohjata kytkinpiirinä, jolla on korkea eristystaso ja vähän virtaa käyttävä kytkentäoperaatio.

Tutkijat loivat rakenteita joiden kytkentäjyrkkyys on 2 mV/dekadi.

Tabib-Azarin mukaan tällaisen kytkimen tuotantoprosessi ei vaadi kalliita uudistuksia tuotantolaitoksissa, koska niissä kuparisulfidi on jo tuttu materiaali.

Huhtikuu 2019