Новые высокоэффективные транзисторы Кембриджа идеально подходят для IoT
Ученые из Кембриджского университета разработали маломощный транзистор, который потребляет миллиардную долю ватт и работает под одним вольт. Такое устройство могло бы помочь с возрастом растущего спроса IoT на мощность и эффективность.
Транзисторы - растущая проблема
Транзисторы, возможно, являются самым важным изобретением 20- го века. Транзисторы заменяют клапаны в электронике, что позволяет делать эти устройства меньшими, портативными и более энергоэффективными. Они также привели к изобретению интегральной схемы, которая сделала современную жизнь тем, чем она является сегодня. Без транзисторов у нас не было бы компьютеров, Интернета или современных методов исследования.
Транзистор, возможно, является самым важным изобретением 20-го века
Чтобы устройства стали более мощными, инженеры должны сжимать как можно больше транзисторов на интегральные схемы. Обычно это приводит к попытке уменьшить размер транзисторов, чтобы большее количество могло соответствовать на единицу площади.
Однако, поскольку функции транзистора сокращаются, последствия, которые в противном случае были бы неактуальными, стали проблемой. Например, затвор МОП-транзистора должен быть электрически изолирован от областей источника и стока, чтобы устройство функционировало должным образом. Если ворота сделаны слишком тонкими, то может произойти квантовое туннелирование, что приведет к протеканию тока между затвором и областями источника / стока (что очень нежелательно).
Другим примером может быть ток утечки транзисторов, который, хотя и небольшой для отдельных транзисторов, может вызвать серьезные проблемы, когда схема содержит один миллиард устройств. Этот накопленный ток утечки приводит к повышению температуры, потере эффективности и потерям энергии, что является проблематичным в мире, где устройства становятся более переносимыми.
Кремний - это черное масло. Изображение предоставлено Jack Spades (CC BY 2.0)
Эффективность, переносимость и печатная электроника
Команда исследователей из Кембриджского университета создала специальный сверхнизкий транзистор, который фактически использует нежелательные эффекты транзисторов в своих интересах.
Во-первых, транзистор работает в области тока утечки (вблизи области отсечения), что помогает уменьшить ток.
Во-вторых, команда Кембриджа изменила дизайн транзистора, чтобы воспользоваться барьерами Шоттки между электродами. По мере уменьшения расстояния между транзисторными электродами увеличивается ток утечки и электрический шум, что эффективно снижает коэффициент усиления. Барьер Шоттки помогает изолировать электроды, увеличивая коэффициент усиления транзистора.
Почти выключенное состояние, показывающее режим с высоким коэффициентом усиления и низкой мощности. Изображение предоставлено Университетом Кембриджа
Исследование было опубликовано двумя сотрудниками отдела электротехники: д-р Сунсик Ли и д-р Арокия Натан. Ли является научным сотрудником, а Натан - профессором, специализирующимся на фотонных системах и дисплеях.
« Мы обнаружили, что эти барьеры Шоттки, которые большинство инженеров стараются избегать, на самом деле имеют идеальные характеристики для типов приложений с ультранизким энергопотреблением, на которые мы смотрим, таких как носимая или имплантируемая электроника для мониторинга состояния здоровья». Профессор Арокия Натан, Кембриджский университет
Транзистор сам по себе работает менее одного вольта, потребляя менее миллиардной доли ватта. Если масштабировать интегральную схему, это может привести к чрезвычайно эффективным портативным устройствам с более длительным сроком службы батареи. Ли цитируется как утверждая, что эта конструкция может позволить батарее АА поставлять энергию на миллиард лет.
Помимо всего этого, новый транзистор обладает одним дополнительным свойством, которое может революционизировать процесс интеграции технологий в современную жизнь: его можно печатать практически на всех материалах, включая полиэфир, стекло и бумагу.
Печатная электроника является растущей отраслью с примерами, включая систему Optomecs Aerosol и 3D-проводную печать Pulse Electronics. Индий-галлиево-цинковые оксидные транзисторы могут позволить имплантацию электроники в такие среды, как гибкие дисплеи, одежда и даже внутри живой ткани.
Поперечное сечение транзистора оксида индия-галлий-цинк. Image credit Sungsik Lee и Arokia Nathan / Science
Резюме
С постоянным ростом спроса на энергию со стороны современных устройств, вскоре закон Мура начнет разрушаться. Это такие разработки, как маломощный транзистор, который поможет сформировать будущее полупроводников и обеспечить аппаратное обеспечение, которое может удовлетворить технологические требования, которые еще впереди.
Узнайте больше о научных исследованиях.