Исследователи из Университета Нотр-Дам и Университета штата Пенсильвания объявили о прорывах в разработке туннельных полевых транзисторов (TFET), полупроводниковой технологии, которая использует преимущества необычного поведения электронов на квантовом уровне.

Транзисторы являются строительными блоками электронных устройств, которые питают цифровой мир, и значительная часть роста вычислительной мощности за последние 40 лет стала возможной благодаря увеличению количества транзисторов, которые могут быть встроены в кремниевые чипы.

Но этот рост, если оставить его на современных технологиях, может скоро подойти к концу.

Многие в области полупроводников считают, что индустрия быстро приближается к физическим пределам миниатюризации транзисторов. Основной проблемой современных транзисторов является утечка энергии, приводящая к выделению избыточного тепла от миллиардов транзисторов, находящихся в непосредственной близости.

Недавние достижения в Нотр-Даме и Пенсильванском государственном университете, которые являются партнерами в Midwest Institute for Nanoelectronics Discovery (MIND), показывают, что TFET находятся на пути к решению этих проблем, обеспечивая производительность, сопоставимую с современными транзисторами, но с гораздо большей энергоэффективностью.

Они делают это, используя способность электронов "туннелировать" сквозь твердые тела, эффект, который в человеческом масштабе может показаться волшебством, но является нормальным поведением на квантовом уровне.

"Транзистор сегодня действует во многом как плотина с подвижным затвором", - говорит Алан Сибо, профессор электротехники в Нотр-Дам и Фрэнк М. Фрейманн Директор MIND. "Скорость, с которой течет вода, ток, зависит от высоты затвора".

"С туннельными транзисторами у нас есть вентиль нового типа, вентиль, через который ток может протекать, а не через него. Мы регулируем толщину затвора электрически, чтобы включать и выключать ток ".

"Электронные туннельные устройства имеют долгую историю коммерциализации, - добавляет Сибо, - Вы, скорее всего, разместили более миллиарда таких устройств на флэш-накопителе USB. Принцип квантово-механического туннелирования уже используется в устройствах хранения данных ".

Хотя TFET еще не обладают энергоэффективностью современных транзисторов, документы, опубликованные в декабре 2011 года Пенсильванским государственным университетом и в марте 2012 года Нотр-Дамом, демонстрируют рекордные улучшения в токе возбуждения туннельных транзисторов, и в следующем году ожидается больше достижений.

"Наши разработки основаны на поиске правильной комбинации полупроводниковых материалов, из которых можно создавать эти устройства", - говорит Суман Датта, профессор электротехники в Университете штата Пенсильвания.

"Если мы добьемся успеха, влияние будет значительным с точки зрения интегральных схем с низким энергопотреблением. Это, в свою очередь, повышает вероятность автономных схем, которые в сочетании с устройствами сбора энергии могут обеспечить активный мониторинг состояния здоровья, разведку окружающей среды и имплантируемые медицинские устройства ".

Еще одно преимущество туннельных транзисторов заключается в том, что их использование для замены существующих технологий не потребует кардинальных изменений в полупроводниковой промышленности. Большая часть существующей схемотехники и производственной инфраструктуры останется прежней.

"Сильные университетские исследования в области новых устройств, таких как TFET, имеют решающее значение для продолжения быстрых темпов развития технологий", - сказал Джефф Уэлзер, директор Исследовательской инициативы в области наноэлектроники. "Большая часть отрасли признает, что для поиска и разработки этих новых концепций потребуется сотрудничество как с академическими кругами, так и с правительственными учреждениями".

Два других партнера центра MIND - Университет Пердью и Техасский университет в Далласе - внесли значительный вклад в разработку TFET посредством разработки ключевых инструментов моделирования и анализа.