Čipy bez polovodičů? Vědci vyrobili 10× vodivější tranzistor ze zlatých hříbků

0

Počítačovou (a vůbec mikroelektronickou) revoluci druhé poloviny dvacátého století umožnily tranzistory, založené na polovodičových materiálech, v angličtině se slovo „semi“ stalo pro mikroelektroniku skoro synonymem. Nicméně polovodiče nemusí být základem počítačů navždy. Vzhledem k tomu, jak se tradiční křemíková litografie blíží svým limitům, probíhá seriózně výzkum alternativ, které by na nich neběžely. Jeden takový přístup se nyní podařilo experimentálně vyvinout a zajímavé je, že principem se do jisté míry vrací do dávné éry elektronek.

Ačkoliv polovodiče momentálně umožňují implementovat logické obvody velmi jednoduše, nejsou bez chyb. Jednou z nich je to, že omezují pohyblivost elektronů a pro to, aby vedly proud, potřebují energii navíc (k překonání energetické bariéry, tzv. „zakázaného pásu“). Teoreticky by se proto daly parametry (výkon, spotřeba) integrovaných obvodů vylepšit, pokud by polovodiče nebyly třeba. Tým vědců z University of California v San Diegu proto zkusil pokusně vytvořit nanosoučástku nahrazující tranzistor, ovšem s elektrony cestujícími místo polovodičem jen volným prostorem. Tedy trochu podobně jako v elektronce, kde přeskakují vakuem. Cílem bylo, aby zařízení mělo mnohem lepší vodivost a ta se podle výsledků skutečně má až zdesetinásobit.

Tento přístup má jeden zásadní problém (který ovšem není jediný) – aby elektrony cestovaly volně prostorem, tedy „vyskočily“ z vodivého materiálu, který je přivádí, je potřeba relativně vysoké napětí nebo velmi vysoká teplota, což je obojí v integrovaném obvodu nepoužitelné. Úkol je tedy přimět elektrony procházet (a to kontrolovaně) otevřeným prostorem s méně extrémním impulzem.

Nanosoučáskta nahrazující tranzistor bez použití polovodičů
Nanosoučáskta nahrazující tranzistor bez použití polovodičů

Vědcům se toto podařilo s útvarem, který vidíte níže. Jde o nanostrukturu jakýchsi hříbků ze zlata, které jsou vytvořené na podkladě křemíkového waferu pokrytého vrstvou oxidu. Zespodu mají do nohy přivedené vodiče. Mezi těmito hříbky pak „na zemi“ prochází paralelně druhá sada vodičů, tvořících druhou elektrodu. Onen pseudo-tranzistor není tvořen jen jedním hříbkem, ale polem několika desítek. Při sepnutí v ní elektrony vyskakují z klobouků zlatých hříbků do vodiče pod nimi, čímž součástkou prochází proud. Ve vypnutém stavu elektrony nepřeskakují.

Zdá se, že ono zapínání a vypínání této součástky je však stále dost komplikované. Napětí údajně stačí nízké, pod 10 V (což je ale stále vysoké v porovnání s aktuálními křemíkovými čipy), ovšem aby se na hříbcích vybudilo dostatečně velké elektrické pole, nutné pro osvobození elektronů, je nutné povrch osvítit laserem. Použitý byl infračervený laser s nízkou energií. Po jeho aplikaci začnou elektrony procházet, takže funguje jako ekvivalent ovládacího hradla tranzistoru.

Nanosoučáskta nahrazující tranzistor bez použití polovodičů (Zdroj: University of California, San Diego)
Snímky struktury z elektronového mikroskopu (Zdroj: University of California, San Diego)

 

Vytvoření funkčního pseudo-tranzistoru na tomto principu je tedy úspěšnou demonstrací, že se tato funkce dá realizovat bez polovodičů a s některými vlastnostmi lepšími (vodivost má být údajně vyšší o 1000 %). Z výše uvedeného popisu je ovšem jasné, že toto konkrétní provedení by se pro pokročilé integrované obvody jako GPU/CPU nedalo použít kvůli velké složitosti. Také integrování laseru není maličkost, i když optické ovládání samo o sobě není bez perspektivy a možná by se dalo realizovat jinak a jednodušeji.

Samotní vědci, kteří na experimentu pracovali, upozorňují, že přímo tato koncepce není patrně cestou k přímému nahrazení konvenčních polovodičových čipů. Mohla by se ale údajně hodit pro některé neběžné aplikace, například pro součástky pracujícími s velmi vysokými frekvencemi nebo s velmi velkými energiemi.

Zdroj: University of California, San Diego

Čipy bez polovodičů? Vědci vyrobili 10× vodivější tranzistor ze zlatých hříbků

Ohodnoťte tento článek!