(PhysOrg.com) - Forskare vid University of Notre Dame och Pennsylvania State University har meddelat genombrott i utvecklingen av tunnelfältseffekttransistorer (TFET), en halvledarteknologi som drar nytta av det udda beteendet hos elektroner på kvantnivå.

Transistorer är byggstenarna i elektroniska enheter som driver den digitala världen, och mycket av tillväxten i datorkraft under de senaste 40 åren har möjliggjorts av ökningar av antalet transistorer som kan packas på kiselchips.

Men den tillväxten, om det överlämnas till nuvarande teknik, kan snart gå mot sitt slut.

Många inom halvledarområdet tror att industrin snabbt närmar sig de fysiska gränserna för transistorminiatyrisering. Det stora problemet i moderna transistorer är kraftläckage som leder till generering av överdriven värme från miljarder transistorer i närheten.

De senaste framstegen vid Notre Dame och Penn State – som är partners i Midwest Institute for Nanoelectronics Discovery (MIND) – visar att TFET:er är på väg att lösa dessa problem genom att leverera jämförbar prestanda med dagens transistorer, men med mycket större energieffektivitet.

De gör detta genom att dra fördel av elektronernas förmåga att "tunnla" genom fasta ämnen, en effekt som kan verka som magi i mänsklig skala men är normalt beteende på kvantnivå.

"En transistor idag fungerar ungefär som en damm med en rörlig grind", säger Alan Seabaugh, professor i elektroteknik vid Notre Dame och Frank M. Freimann direktör för MIND. "Hastigheten med vilken vattnet rinner, nuvarande, beror på portens höjd. "

"Med tunneltransistorer, vi har en ny sorts grind, en grind som strömmen kan flöda genom istället för över. Vi justerar tjockleken på grinden elektriskt för att slå på och av strömmen."

"Elektrontunnelanordningar har en lång historia av kommersialisering, " tillägger Seabaugh, "Du har sannolikt förvarat mer än en miljard av dessa enheter i ett USB -minne. Principen om kvantmekanisk tunneling används redan för datalagringsenheter."

Även om TFET ännu inte har energieffektiviteten hos nuvarande transistorer, papper som publicerades i december 2011 av Penn State och mars 2012 av Notre Dame visar rekordförbättringar i tunneltransistordrivström, och fler framsteg väntas under det kommande året.

"Vår utveckling är baserad på att hitta rätt kombination av halvledarmaterial att bygga dessa enheter med, " säger Suman Datta, professor i elektroteknik vid Penn State University.

"Om vi ​​lyckas, påverkan kommer att bli betydande när det gäller integrerade kretsar med låg effekt. Dessa, i tur och ordning, öka möjligheten till självförsörjande kretsar som, i kombination med energiupptagningsanordningar, kan möjliggöra aktiv hälsoövervakning, omgivande intelligens, och implanterbar medicinsk utrustning."

En annan fördel med att tunnla transistorer är att användningen av dem för att ersätta befintlig teknik inte skulle kräva en grossistförändring i halvledarindustrin. Mycket av den befintliga kretsdesign- och tillverkningsinfrastrukturen skulle förbli densamma.

"Stark universitetsforskning om nya enheter som TFET är avgörande för att fortsätta den snabba tekniska utvecklingen, " sa Jeff Welser, chef för Nanoelectronics Research Initiative. "Mycket av branschen inser att det kommer att krävas samarbeten med både akademi och statliga myndigheter för att hitta och utveckla dessa nya koncept."

Två andra partners i MIND-centret – Purdue University och University of Texas i Dallas – har gjort betydande bidrag till utvecklingen av TFET:er genom utvecklingen av nyckelmodellerings- och analysverktyg.