Smartphones, laptops en smartwatches verbruiken enorme hoeveelheden energie, toch wordt slechts ongeveer de helft van deze energie gebruikt om belangrijke functies van stroom te voorzien. En met miljarden van deze apparaten die wereldwijd in gebruik zijn, een aanzienlijke hoeveelheid energie gaat verloren. Professor Adrian Ionescu en zijn team van EPFL's Nanoelectronic Devices Laboratory (Nanolab) hebben een reeks onderzoeksprojecten gelanceerd in de zoektocht om transistors energiezuiniger te maken. "De transistor is het meest voorkomende kunstmatige object dat ooit door mensen is gemaakt, " zegt prof. Ionescu. "Het maakt onze volledige rekeninfrastructuur en de manier waarop we in realtime omgaan met draagbare informatieverwerking in de 21e eeuw mogelijk. Het vormt de basisbouwsteen voor zowel digitale als analoge signaalverwerking."

Energie-efficiëntie is belangrijk

"Vandaag, we weten dat het menselijk brein ongeveer dezelfde hoeveelheid energie verbruikt als een lamp van 20 Watt, " zegt Ionescu. "Ondanks dat hij zo weinig energie verbruikt, ons brein is in staat taken uit te voeren die verschillende ordes van grootte complexer zijn dan wat een computer aankan:het analyseren van informatie die door onze zintuigen wordt verstrekt en het genereren van intelligente besluitvormingsprocessen. Ons doel is om elektronische technologie voor draagbare apparaten te ontwerpen die qua efficiëntie vergelijkbaar is met die van menselijke neuronen."

De transistor gebouwd door de EPFL-onderzoekers legt de lat voor energie-efficiëntie hoger. Ontwikkeld in de School of Engineering (STI) cleanroom, het bestaat uit 2D-lagen van wolfraamdiselenide (WSe ₂ ) en tindiselenide (SnSe ₂ ), twee halfgeleidende materialen. Bekend als een 2-D/2-D tunneling-transistor, het maakt gebruik van de banduitlijning van de WSe ₂ /SnSe ₂ poort kruising. En omdat het slechts enkele nanometers meet, het is onzichtbaar voor het menselijk oog. Als onderdeel van hetzelfde onderzoeksproject, het Nanolab-team ontwierp ook een nieuwe hybride structuur met dubbel transport die op een dag de technologische prestaties nog verder zou kunnen verbeteren.

Grenzen overschrijden

Met deze transistor het EPFL-team heeft ook een van de fundamentele limieten van elektronische apparaten doorbroken. "Zie een transistor als een schakelaar die energie nodig heeft om aan en uit te gaan, " legt Ionescu uit. "Naar analogie, stel je voor hoeveel energie het zou kosten om naar de top van een Zwitserse berg te klimmen en af ​​te dalen naar de volgende vallei. Bedenk dan hoeveel energie we zouden kunnen besparen door in plaats daarvan door de berg te tunnelen. Dit is precies wat onze 2D/2-D tunneltransistor bereikt:hij vervult dezelfde digitale functie met veel minder energie."

Tot nu, wetenschappers en ingenieurs waren er niet in geslaagd deze fundamentele energieverbruikslimiet voor 2D/2-D-componenten van dit type te doorbreken. Maar de nieuwe transistor verandert dat allemaal, een nieuwe standaard zetten voor energie-efficiëntie in het digitale schakelproces. Het Nanolab-team werkte samen met de groep onder leiding van professor Mathieu Luisier aan de ETH Zürich om de eigenschappen van de nieuwe tunneltransistor te testen en te bevestigen via atomistische simulatie. "Dit is de eerste keer dat we deze fundamentele limiet hebben doorbroken, terwijl tegelijkertijd hogere prestaties worden behaald dan een standaardtransistor gemaakt van hetzelfde 2-D halfgeleidende materiaal, en bij een zeer lage spanning, " zegt prof. Ionescu.

Van wearables tot edge AI

Deze nieuwe technologie zou kunnen worden gebruikt om elektronische systemen te bouwen die bijna net zo energiezuinig zijn als de neuronen in onze hersenen. "Onze neuronen werken op ongeveer 100 millivolt (mV), of ongeveer 10 keer minder dan de spanning geleverd door een standaard batterij, " zegt prof. Ionescu. "Onze technologie werkt momenteel op 300 mV, waardoor het ongeveer 10 keer efficiënter is dan een conventionele transistor." Geen enkel ander elektronisch onderdeel dat tegenwoordig bestaat, komt in de buurt van dit efficiëntieniveau.

Deze langverwachte doorbraak heeft potentiële toepassingen op twee gebieden:draagbare technologieën (zoals smartwatches en slimme kleding) en chips voor edge AI. Maar om van dit lab-proof-of-concept een industrieel product te maken, zal nog een aantal jaren hard moeten worden gewerkt.