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

Ohodnoťte tento článek!