transistoren, de bouwstenen van moderne apparaten, werken als elektronische schakelaars die de stroom door circuits regelen. In de afgelopen decennia is ze zijn meer dan 1000 keer kleiner geworden, waardoor apparaten als laptops en smartphones sneller en compacter worden.

Naarmate ze kleiner worden, echter, ze verbruiken en verspillen ook meer energie. Het meest voorkomende type transistor, MOSFET's genaamd, kan niet abrupt van aan naar uit schakelen, en daarom lekstroom, zelfs nadat het apparaat is uitgeschakeld - hoe kleiner ze zijn, hoe meer energie ze verspillen. Van recente alternatieven, tunnel-FET's genaamd, wordt verwacht dat ze veel minder energie verspillen, maar zijn ze meer geschikt voor apparaten met een lage prestatie, zoals horloges of notebooks.

Voor de eerste keer, wetenschappers van het Indian Institute of Science (IISc) hebben deze twee verschillende soorten transistors gecombineerd tot één apparaat dat gemakkelijk kan schakelen tussen energiezuinige en krachtige modi, afhankelijk van de behoefte. Het apparaat heeft een speciaal type metaal-halfgeleiderovergang die kan worden aangepast om het zich te laten gedragen als een MOSFET of een tunnel-FET.

"Je bent flexibel, " zegt Shubhadeep Bhattacharjee, doctoraat student aan het Centre for Nano Science and Engineering, IISc en eerste auteur van het artikel gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven . "Met hetzelfde apparaat, u kunt ofwel hoge prestaties hebben die afbreuk doen aan het vermogen, of een optimale prestatie, werking met laag vermogen. Zie het als het gebruik van dezelfde auto als een Tata Nano of een Mercedes Benz."

De eerste transistors waren zo groot als een handpalm, maar tegenwoordig zijn ze duizenden keren kleiner dan de breedte van een mensenhaar. "Het mooie van deze miniaturisering is dat we nu in staat zijn om meer functies op een klein oppervlak te proppen, " zegt senior auteur Navakanta Bhat, Stoel, Centrum voor Nano Wetenschap en Engineering, IISc. Dat is de reden waarom smartphones tegenwoordig meer kunnen dan waar veel eerdere computers toe in staat waren.

Transistoren zoals conventionele MOSFET's, gebruikt in bijna alle elektronische gadgets van vandaag, werken meestal als sluizen in een dam. Ze hebben een bron een afvoer, en een poort die de stroom van elektronen tussen de twee regelt. Als de poort in de UIT-stand staat, er is een grote energiebarrière tussen de bron en de afvoer die voorkomt dat elektronen elkaar kruisen. Wanneer er een spanning wordt aangelegd, de poort is ingeschakeld, de hoogte van de barrière wordt verminderd, en elektronen kunnen er overheen springen. Hoe kleiner de voedingsspanning die nodig is om de transistor aan te zetten, hoe efficiënter het apparaat.

Echter, wetenschappers zijn er niet in geslaagd de voedingsspanning voor MOSFET's evenredig met de transistorgrootte te verlagen, vanwege een fundamentele ontwerpfout. Een factor genaamd subthreshold swing - die de minimale poortspanning bepaalt die nodig is om de transistor van aan naar uit te schakelen - beperkt de voedingsspanning tot een bepaalde ondergrens van ongeveer 1 volt. Dit betekent dat de maximale efficiëntie die MOSFET's kunnen bereiken ernstig beperkt zal zijn, hoe groot ze ook zijn. "Dit is een fundamentele beperking opgelegd door de natuurkunde, aangezien het aantal elektronen dat over de barrière kan springen wordt bepaald door Boltzmann-statistieken, " zegt Bhat.

Om deze beperking te overwinnen, wetenschappers hebben geprobeerd transistors te gebruiken die tunnel-FET's worden genoemd, waar, in plaats van de hoogte , de breedte van de elektronenbarrière is verminderd tot een punt waarop elektronen door de barrière kunnen "tunnelen" in plaats van eroverheen te springen. Tunnel-FET's kunnen werken op lagere voedingsspanningen en zijn veel efficiënter. Maar ze hebben ook een nadeel:de gewenste output - de stroom die vloeit als de transistor aan staat - wordt sterk verminderd.

In dit onderzoek, Voor de eerste keer, de onderzoekers ontwierpen een hybride apparaat dat kan schakelen tussen MOSFET- en tunnel-FET-modi door twee poorten te gebruiken in plaats van één, en een speciaal type elektronenbarrière genaamd Schottky-junctie. De Schottky-barrière ontstaat wanneer een metaal en halfgeleider onder bepaalde voorwaarden worden samengevoegd. De onderzoekers gebruikten specifieke ontwerpprocessen om een ​​Schottky-knooppunt te creëren waarbij de hoogte en breedte van de barrière onafhankelijk van elkaar kunnen worden aangepast. Om deze contacttechniek mogelijk te maken, werd zwavelbehandeling gebruikt. In aanvulling, het poortmateriaal werd afgezet met behulp van e-beam-verdamping, in plaats van de conventionele atomaire laagdepositiemethode.

Het apparaat met dubbele poort kon werken op een lagere spanning dan mogelijk was met conventionele MOSFET's, sterk verminderend stroomverbruik. Dit zou een verlaging van de bedrijfsspanning tot minder dan een halve volt mogelijk maken. Het vertoonde ook superieure prestaties in vergelijking met de huidige state-of-the-art tunnel-FET's.

Het nieuwe composietontwerp biedt veel meer flexibiliteit in transistorfunctie dan voorheen mogelijk was, en kan de efficiëntie van elektronische apparaten aanzienlijk verbeteren, zeggen de auteurs.