Met de komst van halfgeleidertransistors - uitgevonden in 1947 als vervanging voor omvangrijke en inefficiënte vacuümbuizen - is de constante vraag naar snellere, meer energie-efficiënte technologieën. Om in deze behoefte te voorzien, onderzoekers van de Universiteit van Pittsburgh stellen een nieuwe draai aan een oude methode voor:een omschakeling van het gebruik van siliciumelektronica terug naar vacuüms als medium voor elektronentransport - wat een significante paradigmaverschuiving in de elektronica vertoont. Hun bevindingen werden online gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie 1 juli.

De afgelopen 40 jaar, het aantal transistors op geïntegreerde printplaten in apparaten zoals computers en smartphones verdubbelde elke twee jaar, snellere en efficiëntere machines produceren. Dit verdubbelingseffect, algemeen bekend als "de wet van Moore, " kwam voor door het vermogen van wetenschappers om de transistorgrootte voortdurend te verkleinen, waardoor computerchips met rondom betere prestaties worden geproduceerd. Echter, aangezien transistorafmetingen lagere nanometerschalen hebben benaderd, het wordt steeds moeilijker en duurder om de wet van Moore verder uit te breiden.

"Fysieke barrières weerhouden wetenschappers ervan om efficiëntere elektronica te realiseren, " zei Hong Koo Kim, hoofdonderzoeker van het project en Bell of Pennsylvania/Bell Atlantic Professor aan de Swanson School of Engineering van de University of Pittsburgh. "We hebben gewerkt aan het oplossen van die wegversperring door transistors en zijn voorganger, het vacuüm, te onderzoeken."

De ultieme limiet van transistorsnelheid, zegt Kim, wordt bepaald door de "elektronentransittijd, " of de tijd die een elektron nodig heeft om van het ene apparaat naar het andere te reizen. Elektronen die in een halfgeleiderapparaat reizen, ervaren vaak botsingen of verstrooiing in het vastestofmedium. Kim vergelijkt dit met het besturen van een voertuig op een hobbelige weg - auto's kunnen niet versnellen erg op. de elektronenenergie die nodig is om snellere elektronica te produceren wordt belemmerd.

"De beste manier om deze verstrooiing - of verkeersopstopping - te vermijden, zou zijn om helemaal geen medium te gebruiken, zoals vacuüm of de lucht in een ruimte op nanometerschaal, "zei Kim. "Zie het als een vliegtuig in de lucht dat een onbelemmerde reis naar zijn bestemming creëert."

Echter, zegt Kim, conventionele vacuüm elektronische apparaten vereisen hoogspanning, en ze zijn niet compatibel met veel toepassingen. Daarom, zijn team besloot de structuur van het elektronische vacuümapparaat helemaal opnieuw te ontwerpen. Met de hulp van Siwapon Srisonphan, een Pitt-promovendus, en Yun Suk Jung, een Pitt-postdoctoraal fellow in elektrotechniek en computertechniek, Kim en zijn team ontdekten dat elektronen die vastzitten in een halfgeleider op het grensvlak met een oxide- of metaallaag, gemakkelijk in de lucht kunnen worden geëxtraheerd. De elektronen die zich aan het grensvlak bevinden, vormen een laag ladingen, tweedimensionaal elektronengas genoemd. Kim ontdekte dat de Coulomb-afstoting - de interactie tussen elektrisch geladen deeltjes - in de elektronenlaag de gemakkelijke emissie van elektronen uit silicium mogelijk maakt. Het team haalde efficiënt elektronen uit de siliciumstructuur door een verwaarloosbare hoeveelheid spanning toe te passen en plaatste ze vervolgens in de lucht. waardoor ze ballistisch kunnen reizen in een kanaal op nanometerschaal zonder botsingen of verstrooiing.

"De emissie van dit elektronensysteem in vacuümkanalen zou een nieuwe klasse van laagvermogen, hogesnelheidstransistors, en het is ook compatibel met de huidige siliciumelektronica, die elektronica aan te vullen door nieuwe functies toe te voegen die sneller en energiezuiniger zijn vanwege de lage spanning, " zei Kim.

Met deze bevinding, hij zegt, er is het potentieel voor het concept van de vacuümtransistor om terug te komen, maar op een fundamenteel andere en verbeterde manier.