Zespół badawczy z The Hong Kong Polytechnic University (PolyU) skonstruował nowy tranzystor polowy z tunelowaniem (TFET), który przełamuje długoistniejącą barierę fizyczną znaną jako „granica Boltzmanna” — to znaczący postęp w mikroelektronice. Opublikowany w czasopiśmie Science przełom może odmienić energooszczędne przetwarzanie danych i rozwój chipów AI nowej generacji.

Konwencjonalne tranzystory, będące elementami budulcowymi układów scalonych, do włączania i wyłączania wykorzystują emisję termoelektronową. W temperaturze pokojowej proces ten wymaga minimalnego napięcia bramki 60 mV — ograniczenia narzuconego przez granicę Boltzmanna, które utrudniało dalszą miniaturyzację i poprawę energooszczędności w wydajnej elektronice. Zespół PolyU pod kierownictwem prof. Jianhua Hao, kierownika Departamentu Fizyki i Materiałoznawstwa oraz profesora zwyczajnego fizyki materiałów i przyrządów, ominął to ograniczenie dzięki tunelowaniu kwantowemu.

Tunelowanie kwantowe pozwala nośnikom ładunku przenikać przez barierę energetyczną nie do pokonania w fizyce klasycznej. Dokładnie projektując heterostrukturę z dwuwymiarowych warstw bizmutu i selenku indu, zespół przekształcił normalnie półmetaliczny bizmut w półprzewodnik. Ta zmiana strukturalna umożliwia wydajne tunelowanie kwantowe nośników do selenku indu, co daje tranzystor z wartościami subprogowego nachylenia (SS) znacznie poniżej granicy 60 mV na dekadę. Subprogowe nachylenie mierzy, jak gwałtownie tranzystor przełącza się między stanami OFF i ON; bardziej stromy przełącz oznacza mniejsze napięcie, a więc i mniej energii potrzebną na każdą operację przełączania. Poszukiwanie przyrządów przełamujących tę granicę 60 mV/dekadę od dawna było celem w tej dziedzinie, a TFET-y należą do czołowych kandydatów badanych na świecie, obok innych podejść o stromym nachyleniu, takich jak tranzystory o ujemnej pojemności.

Nowy TFET działa w temperaturze pokojowej na podłożach krzemowych, co jest kluczową praktyczną przewagą dla integracji z istniejącymi procesami produkcyjnymi. Wymaga zakresu napięcia bramki zaledwie 160 mV, w porównaniu z 800 mV potrzebnymi dla urządzeń konwencjonalnych. Tak dramatyczna redukcja wymagań napięciowych przekłada się na znacznie niższe zużycie energii — kluczowy czynnik dla energooszczędnych obliczeń oraz technologii AI, która wymaga ogromnej mocy obliczeniowej. Ponieważ energia przełączania tranzystora skaluje się z napięciem, obniżanie napięć roboczych jest jednym z najbezpośredniejszych sposobów ograniczenia poboru mocy procesorów — coraz pilniejszej kwestii w miarę wzrostu wymagań obliczeniowych i energetycznych treningu i inferencji AI.

Głównym wyzwaniem w wcześniejszych eksperymentalnych TFET-ach było osiągnięcie wysokiego prądu wyjściowego przy jednoczesnym utrzymaniu wysokiego współczynnika prądowego ON/OFF. Urządzenie PolyU pokonuje tę przeszkodę, zapewniając zarówno wysoki prąd wyjściowy, jak i wyjątkowy współczynnik przełączania ON/OFF. Ta wydajność pozwala tranzystorowi sterować wieloma kolejnymi bramkami logicznymi i skraca opóźnienia obwodów, czyniąc go odpowiednim do praktycznych układów scalonych.

Prof. Hao podkreślił znaczenie tego osiągnięcia: „Przyjmując tunelowanie kwantowe, nasz TFET przełamuje tę granicę, torując drogę ultraniskomocowym, wydajnym układom scalonym niezbędnym dla wschodzących chipów AI i zaawansowanych zastosowań półprzewodnikowych.”

Badania prowadzono we współpracy z National University of Singapore, The Hong Kong University of Science and Technology, Uniwersytetem Pekińskim oraz Singapore University of Technology and Design.

Ten rozwój ma szerokie implikacje dla przyszłości elektroniki. W miarę jak przemysł półprzewodnikowy zbliża się do fizycznych granic konwencjonalnej technologii MOSFET, innowacyjne podejścia, takie jak tunelowe TFET-y, oferują realną drogę naprzód. Praca przy niższych napięciach bez utraty wydajności może umożliwić bardziej wydajne centra danych, dłuższy czas pracy baterii w urządzeniach mobilnych oraz potężniejsze systemy AI zużywające mniej energii. Udana demonstracja tej technologii na podłożach krzemowych sugeruje łagodniejsze przejście od badań do zastosowań komercyjnych, choć droga od demonstracji laboratoryjnej do produkcji masowej wymaga zazwyczaj dalszego rozwoju w zakresie jakości materiałów, jednorodności urządzeń i integracji procesów na dużą skalę.

Źródło: Citybuzz