(PhysOrg.com) -- Onderzoekers van de Universiteit van Notre Dame en de Pennsylvania State University hebben doorbraken aangekondigd in de ontwikkeling van tunneling field effect transistors (TFET's), een halfgeleidertechnologie die profiteert van het eigenzinnige gedrag van elektronen op kwantumniveau.

Transistors zijn de bouwstenen van de elektronische apparaten die de digitale wereld aandrijven, en een groot deel van de groei in rekenkracht in de afgelopen 40 jaar is mogelijk gemaakt door een toename van het aantal transistors dat op siliciumchips kan worden gepakt.

Maar die groei indien overgelaten aan de huidige technologie, kan binnenkort een einde komen.

Velen op het gebied van halfgeleiders denken dat de industrie snel de fysieke grenzen van transistorminiaturisatie nadert. Het grootste probleem in moderne transistors is stroomlekkage die leidt tot het genereren van overmatige warmte van miljarden transistors in de buurt.

De recente ontwikkelingen in de Notre Dame en Penn State - die partners zijn in het Midwest Institute for Nanoelectronics Discovery (MIND) - tonen aan dat TFET's op schema liggen om deze problemen op te lossen door vergelijkbare prestaties te leveren als de hedendaagse transistors, maar met een veel grotere energie-efficiëntie.

Ze doen dit door gebruik te maken van het vermogen van elektronen om door vaste stoffen te "tunnelen", een effect dat magisch lijkt op menselijke schaal, maar normaal gedrag is op kwantumniveau.

"Een transistor werkt tegenwoordig net als een dam met een beweegbare poort", zegt Alan Seabaugh, hoogleraar elektrotechniek aan de Notre Dame en de Frank M. Freimann directeur van MIND. "De snelheid waarmee water stroomt, de stroom, hangt af van de hoogte van de poort."

"Met tunneltransistors, we hebben een nieuw soort poort, een poort waar de stroom doorheen kan stromen in plaats van erover. We passen de dikte van de poort elektrisch aan om de stroom aan en uit te zetten."

"Elektronentunneling-apparaten hebben een lange geschiedenis van commercialisering, " voegt Seabaugh toe, "Je hebt zeer waarschijnlijk meer dan een miljard van deze apparaten in een USB-flashstation gehouden. Het principe van kwantummechanische tunneling wordt al gebruikt voor apparaten voor gegevensopslag."

Hoewel TFET's nog niet de energie-efficiëntie hebben van huidige transistors, papers die in december 2011 door Penn State en maart 2012 door de Notre Dame zijn uitgebracht, tonen recordverbeteringen aan in de aandrijfstroom van tunneltransistors, en het komende jaar worden nog meer vorderingen verwacht.

"Onze ontwikkelingen zijn gebaseerd op het vinden van de juiste combinatie van halfgeleidermaterialen om deze apparaten mee te bouwen, " zegt Suman Datta, hoogleraar elektrotechniek aan de Penn State University.

"Als het ons lukt, de impact zal aanzienlijk zijn in termen van geïntegreerde schakelingen met een laag vermogen. Deze, beurtelings, verhogen de mogelijkheid van zelfaangedreven circuits die, in combinatie met apparaten voor het oogsten van energie, actieve gezondheidsmonitoring mogelijk zou kunnen maken, omgevingsintelligentie, en implanteerbare medische hulpmiddelen."

Een ander voordeel van tunneling-transistors is dat het gebruik ervan ter vervanging van bestaande technologie geen grootschalige verandering in de halfgeleiderindustrie vereist. Een groot deel van de bestaande circuitontwerp- en productie-infrastructuur zou hetzelfde blijven.

"Sterk universitair onderzoek naar nieuwe apparaten zoals TFET's is van cruciaal belang om het snelle tempo van technologische ontwikkeling voort te zetten, " zei Jeff Welser, directeur van het Nanoelectronics Research Initiative. "Een groot deel van de industrie erkent dat er samenwerking nodig is met zowel de academische wereld als de overheid om deze nieuwe concepten te vinden en te ontwikkelen."

Twee andere partners in het MIND-centrum - Purdue University en The University of Texas in Dallas - hebben een belangrijke bijdrage geleverd aan de ontwikkeling van TFET's door de ontwikkeling van belangrijke modellerings- en analytische hulpmiddelen.