Onderzoekers hebben een zwarte fosfortransistor gerapporteerd die kan worden gebruikt als een alternatieve ultra-low power-schakelaar. Een onderzoeksteam onder leiding van professor Sungjae Cho van het KAIST-departement voor natuurkunde heeft een diktegecontroleerde zwarte fosfortunnel-veldeffecttransistor (TFET) ontwikkeld die een 10 keer lager schakelstroomverbruik vertoont, evenals 10, 000 keer lager energieverbruik in stand-by dan conventionele complementaire metaaloxide-halfgeleidertransistors (CMOS).

Het onderzoeksteam zei dat ze snelle en energiezuinige transistors hebben ontwikkeld die conventionele CMOS-transistors kunnen vervangen. Vooral, ze hebben problemen opgelost die de snelheid en prestaties van TFET hebben verslechterd, de weg vrijmaakt om de wet van Moore uit te breiden.

In het onderzoek in Natuur Nanotechnologie vorige maand, Het team van professor Cho rapporteerde een natuurlijke heterojunctie-TFET met ruimtelijk variërende laagdikte in zwarte fosfor zonder interfaceproblemen. Ze bereikten record-lage gemiddelde swingwaarden onder de drempel over 4-5 dec stroom en recordhoge, op-staat huidige, waardoor de TFET's net zo snel kunnen werken als conventionele CMOS-transistors met een veel lager stroomverbruik.

"We hebben met succes de eerste transistor ontwikkeld die voldeed aan de essentiële criteria voor snelle, laag vermogen schakelen. Onze nieuw ontwikkelde TFET's kunnen CMOS-transistoren vervangen door een groot probleem op te lossen met betrekking tot de prestatievermindering van TFET's, "Zei professor Cho.

De continue schaalverkleining van transistors is de sleutel geweest tot de succesvolle ontwikkeling van de huidige informatietechnologie. Echter, met de Wet van Moore die zijn grenzen bereikt door het toegenomen stroomverbruik, de ontwikkeling van nieuwe alternatieve transistorontwerpen is naar voren gekomen als een dringende behoefte.

Het verminderen van zowel het schakel- als het standby-stroomverbruik, terwijl het verder schalen van transistors vereist dat de thermionische limiet van subthreshold swing wordt overwonnen, die wordt gedefinieerd als de vereiste spanning per tienvoudige stroomtoename in het subdrempelgebied. Om zowel het schakel- als het stand-byvermogen van CMOS-circuits te verminderen, het is van cruciaal belang om de subdrempelzwaai van de transistoren te verminderen.

Echter, er is een fundamentele swinglimiet van 60 mV/dec in CMOS-transistoren, die afkomstig is van thermische dragerinjectie. De International Roadmap for Devices and Systems heeft al voorspeld dat er in de nabije toekomst nieuwe apparaatgeometrieën met nieuwe materialen buiten CMOS nodig zullen zijn om de uitdagingen op het gebied van transistorschaling aan te pakken. Vooral, TFET's zijn voorgesteld als een belangrijk alternatief voor CMOS-transistors, aangezien de subdrempelschommeling in TFET's aanzienlijk kan worden verminderd tot onder de thermionische limiet van 60 mV/dec. TFET's werken via kwantumtunneling, die de subthreshold-zwaai niet beperkt zoals bij thermische injectie van CMOS-transistoren.

Vooral, heterojunctie-TFET's zijn veelbelovend voor het leveren van zowel lage subthreshold swing als hoge on-state stroom. Een hoge aan-stroom is essentieel voor de snelle werking van transistors, aangezien het opladen van een apparaat naar de aan-status langer duurt bij lagere stromen. In tegenstelling tot theoretische verwachtingen, eerder ontwikkelde heterojunctie-TFET's tonen 100-100, 000x lagere on-state stroom (100-100, 000x lagere werksnelheden) dan CMOS-transistoren vanwege interfaceproblemen in de heterojunctie. Deze lage werksnelheid belemmert de vervanging van CMOS-transistoren door low-power TFET's.

Professor Cho zei:"We hebben voor het eerst aangetoond, voor zover wij weten, TFET-optimalisatie voor zowel snelle als ultra-low-power operaties, wat essentieel is om CMOS-transistoren te vervangen voor toepassingen met laag vermogen." Hij zei zeer verheugd te zijn met de uitbreiding van de wet van Moore, die uiteindelijk bijna elk aspect van het leven en de samenleving kunnen beïnvloeden.