02.07.2012

Ученые создали прототип нового высокоскоростного транзистора

Физики из США объявили о создании ими «гибридного» транзистора, который имеет черты вакуумных ламп, а также традиционных полупроводниковых простых логических элементов. При этом устройство может работать на сверхвысоких частотах и потреблять при этом небольшое напряжение, говорится в статье исследователей, опубликованной в Nature Nanotechnology.

Вакуумные лампы в свое время стали первым электронным прибором, с помощью которого удалось создать работающие достаточно сложные логические схемы, на основе которых были созданы первые электронные приборы. Правда, первые такие приборы появились в начале двадцатого века, но их повсеместное распространение произошло несколько десятилетий спустя, после появления радио, телевидения, а впоследствии — первых вычислительных устройств. Вторая половина прошлого века ознаменовалась вытеснением ламп полупроводниковыми транзисторами.

Группа американских физиков, руководимая Хон-Ку Кимом из университета Питтсбурга, взялась решить одну из главных проблем современной электроники – не очень большую скорость перемещения электронов внутри транзистора.

«Барьеры на физическом уровне не позволяют сегодня создавать более эффективные электронные устройства. Мы сделали попытку решить одну из этих фундаментальных проблем, проанализировав работу как самих транзисторов, так и их предшественников – электронных вакуумных ламп», — сказал Ким.

По совам ученых, обычная вакуумная лампа состоит из катода, анода и управляющей сетки, расположенной между ними. Если подключить источник тока, катод начинает разогреваться и испускать при этом электроны, которые двигаются в направлении к аноду. Скорость и направление движения зависит от наличия заряда и напряжения на управляющей сетке. В том случае, когда сетка имеет положительный заряд, электроны двигаются через эту сетку, в результате чего между анодом и катодом возникает ток. Если сетка заряжена отрицательно, электроны отскакивают от нее и движение в цепи прекращается.

Ким с коллегами решили попытаться реализовать этот же эффект, но в полупроводнике. Они реализовали «бутерброд» из кремния, диоксида кремния и алюминия, затем разрезали его на две равные части, отодвинули друг от друга на несколько нанометров и начали наблюдать за работой этого прибора в вакууме.

Оказалось, что на границе между вакуумом и пластинкой кремния образуется некое скопление электронов — электронный газ. В этом облаке отрицательно заряженные электроны способны двигаться в двух направлениях, то есть только в плоскости.

По мнению исследователей, после подачи напряжения на катод эти новые электроны сталкиваются с теми, которые присутствуют в пограничном слое, выталкивая их в открытое пространство. Затем они по баллистической траектории перемещаются ко второй половине транзистора, где происходит их захват положительно заряженным анодом. Таким образом, движением электронов управляет затвор транзистора.

Физики утверждают, что это устройство может работать на огромных частотах даже при сравнительно небольшом напряжении, порядка 0.5 вольт. Их конструкция напоминает распространенные полевые транзисторы, поэтому их изготовление можно организовать с использованием существующих технологий. Но для промышленного применения своего открытия физикам необходимо решить еще одну проблему — низкой проводимости. В экспериментальных моделях транзисторов только 0.5% электронов достигло анода.