Halvledarföretag kämpar för att utveckla enheter som bara är nanometer stora, och mycket av utmaningen ligger i att mer exakt kunna beskriva den underliggande fysiken på den nanoskalan. Men en ny beräkningsmetod som har funnits i ett decennium kan bryta ner dessa barriärer.

Enheter som använder halvledare, från datorer till solceller, har haft enorma effektivitetsförbättringar under de senaste decennierna. Kända, en av medgrundarna till Intel, Gordon Moore, observerade att antalet transistorer i en integrerad krets fördubblas ungefär vartannat år - och denna "Moores lag" höll i sig ett tag.

På senare år har dock, sådana vinster har avtagit eftersom företag som försöker konstruera transistorer i nanoskala når gränserna för miniatyrisering på atomnivå.

Forskare vid School of Electrical Engineering vid KAIST har utvecklat ett nytt tillvägagångssätt för halvledarnas underliggande fysik.

"Med öppna kvantsystem som det huvudsakliga forskningsmålet för vårt labb, vi återbesökte koncept som hade tagits för givna och som till och med förekommer i standardläroböcker i halvledarfysik som spänningsfallet i halvledarenheter i drift, ", sade den ledande forskaren professor Yong-Hoon Kim. "Ifrågasätter hur alla dessa begrepp kan förstås och eventuellt revideras på nanoskala, det var tydligt att det var något ofullständigt med vår nuvarande förståelse."

"Och när halvledarchipsen skalas ner till atomnivå, att komma med en bättre teori för att beskriva halvledarenheter har blivit en brådskande uppgift."

Den nuvarande förståelsen säger att halvledare är material som fungerar som halvvägshus mellan ledare, som koppar eller stål, och isolatorer, som gummi eller frigolit. De leder ibland elektricitet, men inte alltid. Detta gör dem till ett utmärkt material för att avsiktligt kontrollera strömflödet, vilket i sin tur är användbart för att konstruera de enkla på/av-omkopplarna – transistorer – som är grunden för minnes- och logikenheter i datorer.

För att "slå på" en halvledare, en ström eller ljuskälla appliceras, excitera en elektron i en atom för att hoppa från det som kallas ett valensband, som är fylld med elektroner, upp till 'ledningsbandet, ' som ursprungligen är ofylld eller endast delvis fylld med elektroner. Elektroner som har hoppat upp till ledningsbandet tack vare yttre stimuli och de återstående "hålen" kan nu röra sig och fungera som laddningsbärare för att flyta elektrisk ström.

Det fysiska konceptet som beskriver populationerna av elektronerna i ledningsbandet och hålen i valensbandet och den energi som krävs för att göra detta hopp är formulerat i termer av den så kallade "Fermi-nivån". Till exempel, du behöver veta ferminivåerna för elektronerna och hålen för att veta hur mycket energi du kommer att få ut ur en solcell, inklusive förluster.

Men Fermi-nivåkonceptet är bara enkelt definierat så länge som en halvledarenhet är i jämvikt – sitter på en hylla och gör ingenting – och hela poängen med halvledarenheter är att inte lämna dem på hyllan.

För cirka 70 år sedan, William Shockley, den Nobelprisvinnande meduppfinnaren av transistorn vid Bell Labs, kom på lite av en teoretisk fudge, kvasi-Fermi-nivån, ' eller QFL, möjliggör grov förutsägelse och mätning av interaktionen mellan valensbandshål och ledningsbandelektroner, och detta har fungerat ganska bra fram tills nu.

"Men när du arbetar på en skala av bara några nanometer, metoderna för att teoretiskt beräkna eller experimentellt mäta uppdelningen av QFLs var helt enkelt inte tillgängliga, sa professor Kim.

Det betyder att i denna skala, frågor som fel relaterade till spänningsfall får mycket större betydelse.

Kims team arbetade i nästan tio år med att utveckla en ny teoretisk beskrivning av kvantelektrontransport i nanoskala som kan ersätta standardmetoden – och programvaran som låter dem använda den. Detta involverade vidareutvecklingen av lite matematik känd som Density Functional Theory som förenklar ekvationerna som beskriver interaktioner mellan elektroner, och som har varit mycket användbar inom andra områden såsom upptäckt av beräkningsmaterial med hög genomströmning.

För första gången, de kunde beräkna QFL-delningen, erbjuder en ny förståelse för sambandet mellan spänningsfall och kvantelektrontransport i enheter i atomskala.

Förutom att undersöka olika intressanta kvantfenomen utan jämvikt med sin nya metodik, teamet vidareutvecklar nu sin mjukvara till ett datorstödt designverktyg som ska användas av halvledarföretag för att utveckla och tillverka avancerade halvledarenheter.