På senare år har fysiker och elektroniska ingenjörer har försökt identifiera material som kan användas för att tillverka nya typer av elektroniska enheter. Endimensionella (1-D) och tvådimensionella (2-D) material har visat sig ha särskilt fördelaktiga egenskaper, särskilt för utvecklingen av nya generationer av nanoelektronik (elektroniska komponenter på nanoskala).

Sådana 1-D och 2-D material, som grafen, monolager molybdendisulfid, kisel nanotrådar och kisel nanotrådar, kan också spela en avgörande roll inom halvledarindustrin, eftersom de skulle kunna bidra till att utveckla allt mindre transistorer. Transistorer är de grundläggande byggstenarna i många moderna elektroniska enheter, som kan lagra och kontrollera bitar av binär information (dvs. nollor och ettor).

Trots deras väldokumenterade fördelar, framväxande lågdimensionella material kan ha en relativt liten mängd så kallade gratis avgifter jämfört med 3D-material. I samband med elektroniska komponenter, en gratis laddning är en elektron eller ett hål (dvs. brist på en elektron i ett atomgitter som fungerar som en positivt laddad elektron) som inte är tätt bunden till atomgittret och därför kan röra sig fritt i ett material som svar på yttre fält och pålagda spänningar. Gratis avgifter har ett antal viktiga funktioner, en av dem är deras bidrag till vad som kallas screeningeffekten.

Faktiskt, gratis laddningar kan omfördela sig själva för att skapa skarpa elektriska potentialprofiler i både material och enheter, inklusive i transistorer. Därför, ju fler gratisladdningar som materialet har, desto skarpare blir den elektriska potentialen. Denna speciella funktion är särskilt avgörande för utvecklingen av tunnelfälteffekttransistorer, som starkt förlitar sig på kvanttunnelering av elektroner över korsningar.

Forskare vid McGill University och NanoAcademic Technologies har nyligen identifierat en strategi som kan kompensera för bristen på gratis avgifter som observerats i både 1-D och 2-D-material. I deras papper, publiceras i Fysiska granskningsbrev , de föreslog användningen av denna strategi, som är baserad på konstruktion av bundna avgifter, att utveckla nanotrådstransistorer av kisel.

"Tunnelfälteffekttransistorn har mycket lägre effektförluster än konventionella transistorer, vilket gör den till en lovande kandidat för lågeffektelektronik, "Raphaël Prentki, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "För en tunnelfälteffekttransistor med skarpare elektrisk potential vid tunnelövergången, korsningen blir mer framkomlig, vilket leder till förbättrad enhetsprestanda. Vi hade därför som mål att hitta ett sätt att kompensera för bristen på gratis avgifter i lågdimensionella material."

Det finns två typer av laddningar i material, nämligen gratis och bundna avgifter. Som deras namn antyder, fria laddningar är löst bundna till atomkärnor och fria att röra sig, vilket gör dem lätta att manipulera med elektriska fält och spänningar. I kontrast, bundna laddningar är tätt bundna till atomkärnor och kan bara röra sig inom atomer. Även om dessa anklagelser har identifierats för hundratals år sedan, de övervägs eller tillämpas i allmänhet inte vid konstruktion av transistorer eller andra elektroniska enheter.

I deras studie, Prentki och hans kollegor utarbetade en metod för att konstruera bundna laddningar i elektroniska enheter på ett fördelaktigt sätt. De hänvisar till denna designstrategi som "bound-charge engineering."

"Specifikt, med Maxwells ekvationer, det kan visas att när ett elektriskt fält passerar gränssnittet mellan två material, bundna laddningsformer på det gränssnittet, " sade Prentki. "Dessutom, mängden bunden laddning är proportionell mot storleken på det elektriska fältet, såväl som skillnaden mellan permittiviteterna för de två materialen. Permittivitet är en materiell egenskap som kvantifierar hur mycket ett material polariserar som svar på ett externt elektriskt fält."

Prentki och hans kollegor visade att ytbundna laddningar vid gränssnittet mellan två regioner av en elektronisk enhet kan styras genom att ställa in det elektriska fältet och välja material med lämpliga permittivitetsvärden. För att skapa bättre tunnelfälteffekttransistorer, forskarna föreslår att en del av tunnelkorsningen ska omges med en lågpermittiv oxid, eftersom detta möjliggör bildandet av bunden laddning. I deras papper, de övervägde denna strategi för att tillverka en transistor gjord av nanotråd av kisel.

I befintliga toppmoderna transistorkonstruktioner, kiselnanotråden är omgiven av en oxid med hög permittivitet, såsom hafniumdioxid, vilket möjliggör en hög grindkapacitans. Prentki och hans kollegor, å andra sidan, föreslå idén att omge området av nanotråden nära tunnelkorsningen med hjälp av kiseldioxid, en isolator med ett permittivitetsvärde som bara är 3,8 gånger större än luftens permittivitet.

"I vår design, den bundna laddningen vid nanotråd-oxidgränssnittet kompletterar fria laddningar i screeningseffekten, vilket resulterar i en skarpare tunnelkorsning, ", sa Prentki. "Detta resulterar i en tunnelfälteffekttransistor med hjälp av bunden laddning med en på-tillståndsström som är över 10 gånger högre än transistorer med hjälp av icke-bunden laddning, som skulle kunna möjliggöra dess praktiska tillämpning i datorenheter vid högre klockfrekvenser."

Prentki och hans kollegor visade att bunden laddningsteknik kan användas för att styra storleken på utarmningsområdena vid korsningen mellan två regioner av fälteffekttransistorer. Detta gäller särskilt för den plats där "källan" och "kanalen, " eller "kanal" och "dränering"-områden i en fälteffekttransistor möts. Med andra ord, bundna laddningar kan användas för att stödja gratis laddningar för att möjliggöra en starkare skärmningseffekt i transistorer.

"Vårt arbete introducerar en allmän metod för att konstruera bundna avgifter till vår fördel i material och anordningar, ", sa Prentki. "Detta är särskilt användbart i framväxande endimensionella och tvådimensionella material. Till exempel, bunden laddningsteknik erbjuder betydande prestandaökningar i fälteffekttransistorer med nanotråd av kisel.

I deras senaste tidning, forskarna bevisade att deras strategi för att kontrollera storleken på utarmningsregioner kan användas för att förbättra prestandan hos en specifik typ av lågeffekts fälteffekttransistorer, nämligen, en tunnelfälteffekttransistor. I sina nästa studier, de kommer att experimentellt testa genomförbarheten av sin strategi, använder den för att realisera en riktig tunnelfälteffekttransistor.

"Vår undersökning var rent simuleringsbaserad, ", förklarade Prentki. "Även om vi använde en toppmodern simuleringsmetod, bara en fast, Realisering av enheten i verkligheten kan bevisa bortom allt tvivel att konceptet med bunden laddning verkligen fungerar."

Förutom att bevisa genomförbarheten av bunden laddningsteknik för att skapa bättre presterande tunnelfälteffekttransistorer med nanotrådar, forskarna skulle nu vilja tillämpa sin strategi på andra områden av nanoelektronik. Till exempel, de skulle vilja testa dess effektivitet för nedskalning av specifika typer av transistorer.

"Bound-charge engineering är en mycket allmän idé etablerad av grundläggande lagar för elektromagnetism, " tillade Prentki. "Därför, i princip, den är inte begränsad till tillämpningar inom områdena nanoelektronik och transistordesign. Därför, vi skulle också vilja tillämpa detta koncept på andra forskningsområden där bunden laddning och screening kan vara viktiga, som molekylär elektronik, elektrokemi och artificiell fotosyntes."

© 2021 Science X Network