Новый наноразмерный метаматериал может вести лучше полупроводников
Несмотря на то, что на протяжении многих лет клапаны были сильно заменены полупроводниками, команда исследователей из Калифорнийского университета Сан-Диего разработала наноразмерный прибор, который работает аналогично клапанам.
Верните клапан
Клапаны были великолепны, если бы не «// en.wikipedia.org/wiki/Valve_amplifier» target = "_ blank"> лучше, чем транзисторы в определенных приложениях. Например, клапаны могут работать на гигагерцовых частотах при одновременном усилении сотен ватт мощности, тогда как полупроводниковые приборы (которые также могут работать на высоких частотах) не могут проводить столько же.
Вентиляторы также считают аудиофилы лучше звуковыми в звуковом оборудовании, включая гитарные педали и аудиоусилители. Клапаны также имеют другие преимущества, которые делают их идеальными (особенно в аналоговых схемах), в том числе их линейность, допускание высокого напряжения, большие возможности рассеивания тепла, устойчивость к перегрузкам и, как правило, могут работать значительно ниже максимальных возможностей клапана.
Клапаны во всей красе! Изображение предоставлено Stefan Riepl (CC BY-SA 2.0)
Однако у клапанов есть некоторые большие недостатки, поэтому они в основном заменены твердотельными устройствами. Клапаны часто ломаются по многим причинам, включая катодное отравление, тепловой ущерб, поломку и внутренние замыкания. Клапаны также имеют проблемы с возможностями движения, требуют использования нагревателей, требуют высоких напряжений и невероятно велики.
Представьте себе, можно ли изобрести устройство, которое извлекает пользу как из вакуумных труб, так и из полупроводников. У вас будет устройство, которое может быть невероятно линейным, иметь хорошие допуски при перегрузке, будучи очень маленьким и требует небольшого количества энергии. Это именно то, что сделали исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Teeny Tiny Free-Electron Mushrooms
Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего создали электрическое устройство, которое не полагается на проведение полупроводника для управления потоком тока. Устройство управляется только низким напряжением и маломощным инфракрасным лазером. Но то, что делает устройство еще более впечатляющим, - это изменение проводимости на 1000% при активации, что дает возможность мощных мощных усилителей.
Идея устройства довольно проста: иметь свободные электроны в пространстве, где концентрация электронов может контролироваться снаружи (подобно вакуумной трубке). Единственная проблема заключается в том, что получение электронов в свободное пространство - это требование высоких температур и высоких напряжений, которые разрушат любое микроэлектронное устройство.
Однако команда (во главе с профессором Дэном Сивенпипером) придумала решение, которое может освобождать электроны от поверхности без необходимости либо высокой температуры, либо большого напряжения. Решение начинается с «метаматериала», состоящего из многих параллельных золотых проводников с золотыми наноструктурами в виде грибов в большом массиве. Эта структура располагается поверх слоя диоксида кремния, который выращивается поверх слоя кремния.
Масштаб золотых грибов. Изображение предоставлено UC San Diego Applied Electromagnetics Group
Когда массив подвергается воздействию маломощного инфракрасного лазера и применяется низкое напряжение (менее 10 В постоянного тока), небольшие, но интенсивные электрические поля формируются в так называемых «горячих точках». Эти горячие точки имеют достаточно энергии, чтобы выталкивать электроны из металла и в космос, обеспечивая увеличение проводимости до 1000%.
Хотя этот дизайн является лишь доказательством концепции, результаты говорят о том, что эти крошечные устройства вполне могут быть перспективными для высокомощного высокочастотного переключения. Руководитель группы профессор Дэн Сивенпипер сказал:
« Это, безусловно, не заменит все полупроводниковые приборы, но это может быть лучший подход для некоторых специальных приложений, таких как очень высокие частоты или мощные устройства».
Потребность в новой наноразмерной технологии
Поскольку закон Мура, казалось бы, всегда колеблется на краю последних дней, для замены кремния потребуются новые технологии. Полупроводниковая технология, как она сейчас стоит, может только так много сделать, поэтому такие крошечные вакуумные трубки, как устройства, будут необходимы.
Эти устройства могут потенциально работать быстрее (особенно, если они управляются маломощными инфракрасными лазерами), в то же время способные к большей мощности. Это дает им реальный потенциал в приложениях, связанных с радиопередачей, переключением с высокой мощностью и, возможно, даже с оптическими вычислениями (которые могут использовать эти устройства для преобразования обработанного света в выходные электрические сигналы, которые не требуют больших управляющих напряжений или потребляют большие количества мощность).
Резюме
Клапаны были великолепны в свое время и по-прежнему имеют реальный потенциал. Хотя эти устройства не совпадают с клапанами (но работают по аналогичному принципу), нет никаких сомнений в том, что эти маленькие золотые грибы могут просвещать электронику в новых формах управления мощностью и частотой. Идея устройства, имеющего преимущества клапанов без их особых недостатков, - это то, что может действительно изменить отрасль навсегда.