Transistorer, byggstenarna i moderna enheter, fungerar som elektroniska omkopplare som styr strömflödet över kretsar. Under de senaste decennierna, de har krympt mer än 1000 gånger i storlek, gör enheter som bärbara datorer och smartphones snabbare och mer kompakta.

När de blir mindre, dock, de förbrukar och slösar också mer ström. Den vanligaste typen av transistorer som kallas MOSFET kan inte plötsligt växla från på till av, och därför läckström även efter att enheten stängts av – ju mindre de är, desto mer kraft slösar de. Nya alternativ som kallas tunnel FET förväntas slösa mycket mindre ström men är mer lämpade för lågpresterande enheter som klockor eller bärbara datorer.

För första gången, forskare vid Indian Institute of Science (IISc) har kombinerat dessa två olika typer av transistorer till en enda enhet som enkelt kan växla mellan energieffektiva och högpresterande lägen, beroende på behovet. Enheten har en speciell typ av metall-halvledarövergång som kan justeras för att få den att bete sig antingen som en MOSFET eller en tunnel FET.

"Du har flexibilitet, " säger Shubhadeep Bhattacharjee, Ph.D. student vid Centrum för nanovetenskap och teknik, IISc och första författare till tidningen publicerad i Bokstäver i tillämpad fysik . "Med samma enhet, du kan ha antingen hög prestanda som kompromissar med kraften, eller en optimal prestanda, lågeffektdrift. Se det som att använda samma bil som antingen en Tata Nano eller en Mercedes Benz."

De första transistorerna var i palmstorlek, men idag är de flera tusen gånger mindre än bredden på ett människohår. "Det som är bra med denna miniatyrisering är att vi nu kan fylla på fler funktioner inom ett litet område, " säger seniorförfattaren Navakanta Bhat, Stol, Centrum för nanovetenskap och teknik, IISc. Det är därför smartphones kan göra mer idag än vad många tidigare datorer kunde.

Transistorer som konventionella MOSFETs, används i nästan alla elektronikprylar idag, fungerar vanligtvis som slussar i en damm. De har en källa, ett avlopp, och en grind som styr flödet av elektroner mellan de två. När porten är i AV-läget, Det finns en stor energibarriär mellan källan och avloppet som hindrar elektroner från att passera. När en spänning appliceras, porten är påslagen, höjden på barriären minskar, och elektroner kan hoppa över den. Ju mindre matningsspänning som behövs för att slå på transistorn, desto effektivare är enheten.

Dock, forskare har inte kunnat sänka matningsspänningen för MOSFETs proportionellt med transistorstorleken, på grund av ett grundläggande designfel. En faktor som kallas subthreshold swing – som bestämmer den lägsta grindspänningen som krävs för att transistorn ska slås från på till av – begränsar matningsspänningen till en viss nedre gräns på cirka 1 volt. Detta innebär att den maximala effektiviteten som MOSFETs kan uppnå kommer att vara kraftigt begränsad, oavsett vilken storlek de är. "Detta är en grundläggande begränsning som påtvingats av fysiken, eftersom antalet elektroner som kan hoppa över barriären styrs av Boltzmanns statistik, säger Bhat.

För att övervinna denna begränsning, forskare har försökt använda transistorer som kallas tunnel-FET, var, istället för höjd , de bredd av elektronbarriären är reducerad till en punkt där elektroner kan "tunnla" genom barriären istället för att hoppa över den. Tunnel FET kan arbeta vid lägre matningsspänningar och är mycket effektivare. Men de har också en nackdel:den önskade utgången - strömmen som flyter när transistorn är på - reduceras kraftigt.

I den här studien, för första gången, forskarna designade en hybridenhet som kan växla mellan MOSFET- och tunnel-FET-lägen genom att använda två grindar istället för en, och en speciell typ av elektronbarriär som kallas Schottky junction. Schottky-barriären skapas när en metall och halvledare förenas under vissa förhållanden. Forskarna använde specifika designprocesser för att skapa en Schottky-korsning där höjden och bredden på barriären kan justeras oberoende av varandra. Svavelbehandling användes för att möjliggöra denna kontaktteknik. Dessutom, grindmaterialet deponerades med hjälp av e-beam evaporation, istället för den konventionella atomskiktsdepositionsmetoden.

Enheten med dubbla grindar kunde arbeta med en lägre spänning än vad som är möjligt med konventionella MOSFET:er, kraftigt minska strömförbrukningen. Detta skulle möjliggöra minskning av driftspänningen till mindre än en halv volt. Den visade också överlägsen prestanda jämfört med nuvarande toppmoderna tunnel-FET.

Den nya kompositdesignen erbjuder mycket mer flexibilitet i transistorfunktion än vad som tidigare varit möjligt, och kan förbättra effektiviteten hos elektroniska enheter avsevärt, säger författarna.