Il nanodispositivo che mira a sostituire il transistor ad effetto di campo

Il transistor ad effetto di campo è il cavallo di battaglia dell'industria dell'elettronica di consumo. Intagliati in miliardi di microchip, questi dispositivi svaniscono, più o meno inosservati, praticamente in ogni casa, ufficio e laboratorio del mondo sviluppato.

Eppure c'è un problema perenne con i transistor a effetto di campo che tiene svegli di notte i progettisti di chip: come renderli sempre più piccoli e mantenere così il ritmo incessante della legge di Moore.

I transistor a effetto di campo sono già così piccoli che renderli più piccoli comporta una moltitudine di sfide che non sono affatto facili da risolvere. I componenti degli odierni transistor a effetto di campo all'avanguardia sono lunghi solo pochi nanometri, ovvero solo pochi strati di silicio atomico.

Questi strati di silicio devono essere drogati con altri atomi: solo una manciata farà il trucco in componenti così piccoli. E qui sta il problema. Anche una piccola variazione casuale nel numero di atomi droganti nei componenti a semiconduttore può avere un enorme effetto sul comportamento del transistor. Come controllare queste variazioni durante la produzione non è affatto chiaro. C'è poi il problema fisico di rendere ancora più piccolo un dispositivo con tre terminali.

Quindi i progettisti di chip apprezzerebbero moltissimo avere un altro dispositivo su cui poter fare affidamento per costruire chip più densamente imballati con componenti sempre più piccoli.

Oggi, Jason Marmon dell'Università della Carolina del Nord a Charlotte e alcuni amici svelano proprio un dispositivo del genere sotto forma di un transistor a effetto luce. Questo è essenzialmente un filo che conduce quando è immerso nella luce e isola quando è buio. In altre parole, è un interruttore modulato dalla luce. Il team afferma che il suo nuovo dispositivo è più semplice di un transistor a effetto di campo e non si basa su atomi droganti, quindi può essere rimpicciolito e quindi continuare la legge di Moore.

Innanzitutto, un po' di background. Un transistor ad effetto di campo è un dispositivo con tre terminali: una sorgente, un drenaggio e un gate. La quantità di corrente che scorre tra la sorgente e lo scarico è determinata dalla tensione applicata al gate. Questo attiva o disattiva la corrente.

Un transistor a effetto luce funziona in un modo completamente diverso. È semplicemente un nanofilo attraverso il quale la corrente può fluire a seconda della quantità di luce che lo colpisce. In altre parole, è possibile utilizzare la luce per accendere o spegnere la corrente.

Non c'è niente di particolarmente nuovo o speciale in questo effetto fotoconduttivo. Si verifica quando l'assorbimento della luce aumenta il numero di elettroni e lacune in un semiconduttore, aumentando così la sua conduttività.

Tuttavia, i materiali fotoconduttivi non sono mai stati adatti come transistor perché l'effetto funziona solo vicino alla superficie del materiale e non si estende per tutta la sua massa. Quindi non fanno interruttori affidabili.

Ma questo cambia quando un materiale fotoconduttivo ha uno spessore di pochi strati atomici. In tal caso, l'effetto fotoconduttivo si verifica in tutto il materiale, rendendolo molto più robusto come interruttore.

Il lavoro di Marmon e co consiste nel caratterizzare il comportamento di nanofili semiconduttori fatti di cadmio e selenio. E dicono che questi cavi dimostrano alcuni comportamenti utili e unici.

Per cominciare, i cavi funzionano bene come interruttori che per alcune misure si confrontano bene con i transistor ad effetto di campo. Ad esempio, consentono un flusso di corrente un milione di volte maggiore quando sono accesi rispetto a quando sono spenti quando funzionano a una tensione di circa 1,5 V. [Un transistor a effetto luminoso] può replicare la funzione di commutazione di base del moderno transistor a effetto di campo con una concorrenza (e caratteristiche potenzialmente migliorate), affermano Marmon e co.

Ma i cavi hanno anche capacità completamente nuove. Il dispositivo funziona come un amplificatore ottico e può anche eseguire operazioni logiche di base utilizzando due o più raggi laser anziché uno. È qualcosa che un singolo transistor ad effetto di campo non può fare.

E il grande vantaggio è che, poiché l'effetto fotoconduttivo non richiede atomi droganti, non è suscettibile ai problemi di variazione casuale che affliggono i transistor ad effetto di campo. I nanofili sono anche più semplici dei transistor a effetto di campo e quindi sono potenzialmente più economici e più facili da realizzare.

Naturalmente, ci sono molti ostacoli prima che questi dispositivi possano essere integrati in chip integrati o addirittura prodotti su scala industriale. Gli ingegneri elettronici vorranno una migliore comprensione delle caratteristiche del dispositivo in una gamma più ampia di condizioni, in particolare per quanto riguarda la velocità di commutazione. Vorranno anche sapere come se la cava con le moderne tecniche di produzione di massa.

Poi c'è la domanda sull'architettura del chip: come si affronta con precisione un miliardo di nanofili con la luce e in che modo ciò influisce sul consumo di energia?

Tuttavia, i transistor a effetto luce offrono una gamma di affascinanti possibilità, in particolare per quanto riguarda le operazioni logiche ottiche. Sarà interessante vedere dove lo porteranno i ricercatori dopo.

Rif: arxiv.org/abs/1601.04748 : Transistor a effetto luce (LET) con più controlli di gating indipendenti per porte logiche ottiche e amplificazione ottica

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