Med tillkomsten av halvledartransistorer - uppfunnet 1947 som ersättning för skrymmande och ineffektiva vakuumrör - har det konsekventa kravet på snabbare kommit, mer energieffektiv teknik. För att fylla detta behov, forskare vid University of Pittsburgh föreslår ett nytt snurr på en gammal metod:en övergång från användningen av kiselelektronik tillbaka till dammsugare som medium för elektrontransport - uppvisar ett betydande paradigmskifte inom elektronik. Deras resultat publicerades online i Naturnanoteknik 1 juli.
Under de senaste 40 åren har antalet transistorer placerade på integrerade kretskort i enheter som datorer och smartphones har fördubblats vartannat år, att producera snabbare och effektivare maskiner. Denna fördubblingseffekt, allmänt känd som "Moores lag, "inträffade av forskares förmåga att kontinuerligt minska transistorstorleken, på så sätt producerar datorchips med allround bättre prestanda. Dock, eftersom transistorstorlekar har närmat sig lägre nanometerskalor, Det har blivit allt svårare och dyrare att förlänga Moores lag ytterligare.
"Fysiska hinder hindrar forskare från att uppnå mer effektiv elektronik, "sa Hong Koo Kim, huvudutredare på projektet och Bell of Pennsylvania/Bell Atlantic Professor vid University of Pittsburghs Swanson School of Engineering. "Vi arbetade för att lösa det vägspärret genom att undersöka transistorer och dess föregångare - vakuumet."
Den yttersta gränsen för transistorhastighet, säger Kim, bestäms av "elektronpassagetiden, "eller den tid det tar en elektron att resa från en enhet till den andra. Elektroner som färdas inuti en halvledarenhet upplever ofta kollisioner eller spridning i halvledarmediet. Kim liknar detta med att köra ett fordon på en ojämn väg-bilar kan inte snabba upp mycket. Likaså, elektronenergin som behövs för att producera snabbare elektronik hindras.
"Det bästa sättet att undvika denna spridning - eller trafikstockning - är att inte använda något medium alls, som vakuum eller luften i ett nanometerskalrum, "sa Kim." Tänk på det som ett flygplan på himlen som skapar en obehindrad resa till dess destination. "
Dock, säger Kim, konventionella vakuumelektroniska enheter kräver hög spänning, och de är inte kompatibla med många applikationer. Därför, hans team bestämde sig för att helt omforma strukturen för vakuumelektronisk enhet helt och hållet. Med hjälp av Siwapon Srisonphan, en Pitt -doktorand, och Yun Suk Jung, en Pitt -postdoktor i el- och datateknik, Kim och hans team upptäckte att elektroner fångade inuti en halvledare vid gränssnittet med ett oxid- eller metallskikt lätt kan extraheras ut i luften. Elektronerna som ligger i gränssnittet bildar ett laddningsark, kallas tvådimensionell elektrongas. Kim fann att den koulombiska avstötningen - interaktionen mellan elektriskt laddade partiklar - i elektronskiktet möjliggör enkel avgivning av elektroner ur kisel. Teamet extraherade elektroner från kiselstrukturen effektivt genom att applicera en försumbar mängd spänning och placerade dem sedan i luften, tillåta dem att resa ballistiskt i en kanal i nanometerskala utan kollisioner eller spridning.
"Utsläpp av detta elektronsystem till vakuumkanaler kan möjliggöra en ny klass med låg effekt, höghastighetstransistorer, och den är också kompatibel med nuvarande kiselelektronik, komplettera den elektroniken genom att lägga till nya funktioner som är snabbare och mer energieffektiva på grund av den låga spänningen, sa Kim.
Med denna upptäckt, han säger, det finns potential för vakuumtransistorkonceptet att komma tillbaka, men på ett fundamentalt annorlunda och förbättrat sätt.
