In recente jaren, natuurkundigen en elektronica-ingenieurs hebben geprobeerd materialen te identificeren die kunnen worden gebruikt om nieuwe soorten elektronische apparaten te fabriceren. Eendimensionale (1-D) en tweedimensionale (2-D) materialen blijken bijzonder voordelige eigenschappen te hebben, met name voor de ontwikkeling van nieuwe generaties nano-elektronica (elektronische componenten op nanoschaal).

Dergelijke 1-D en 2-D materialen, zoals grafeen, monolaag molybdeendisulfide, silicium nanodraden en silicium nanosheets, zou ook een cruciale rol kunnen spelen in de halfgeleiderindustrie, omdat ze zouden kunnen helpen om steeds kleinere transistors te ontwikkelen. Transistors zijn de basisbouwstenen van veel moderne elektronische apparaten, die bits binaire informatie kan opslaan en besturen (d.w.z. nullen en enen).

Ondanks hun goed gedocumenteerde voordelen, opkomende laagdimensionale materialen kunnen een relatief kleine hoeveelheid zogenaamde gratis ladingen hebben in vergelijking met 3D-materialen. In de context van elektronische componenten, een gratis lading is een elektron of gat (d.w.z. ontbreken van een elektron in een atoomrooster dat werkt als een positief geladen elektron) dat niet stevig aan het atoomrooster is gebonden en daarom vrij door een materiaal kan bewegen als reactie op externe velden en aangelegde spanningen. Gratis kosten hebben een aantal belangrijke functies, een daarvan is hun bijdrage aan wat bekend staat als het screeningseffect.

In feite, gratis ladingen kunnen zichzelf herverdelen om scherpe elektrische potentiaalprofielen te creëren in zowel materialen als apparaten, ook in transistoren. Daarom, hoe groter het aantal gratis ladingen dat materiaal bezit, hoe scherper de resulterende elektrische potentiaal. Deze specifieke functie is vooral cruciaal voor de ontwikkeling van tunnelveldeffecttransistoren, die sterk afhankelijk zijn van de kwantumtunneling van elektronen over knooppunten.

Onderzoekers van McGill University en NanoAcademic Technologies hebben onlangs een strategie geïdentificeerd die het gebrek aan gratis ladingen kan compenseren dat wordt waargenomen in zowel 1-D- als 2-D-materialen. In hun krant gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , zij stelden het gebruik van deze strategie voor, die is gebaseerd op de engineering van gebonden ladingen, silicium nanodraadtransistors te ontwikkelen.

"De tunnel-veldeffecttransistor heeft veel lagere vermogensdissipaties dan conventionele transistors, waardoor het een veelbelovende kandidaat is voor elektronica met laag vermogen, " Raphaël Prentki, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Voor een tunnelveldeffecttransistor met een scherper elektrisch potentiaal op de tunnelovergang, de kruising wordt beter berijdbaar, wat leidt tot verbeterde apparaatprestaties. We wilden dus een manier vinden om het gebrek aan gratis ladingen in laagdimensionale materialen te compenseren."

Er zijn twee soorten ladingen in materialen, namelijk gratis en gebonden kosten. Zoals hun naam al doet vermoeden, vrije ladingen zijn losjes gebonden aan atoomkernen en vrij om te bewegen, waardoor ze gemakkelijk te manipuleren zijn met elektrische velden en spanningen. In tegenstelling tot, gebonden ladingen zijn nauw gebonden aan atoomkernen en kunnen alleen binnen atomen bewegen. Hoewel deze beschuldigingen honderden jaren geleden zijn geïdentificeerd, ze worden over het algemeen niet overwogen of toegepast bij het ontwerpen van transistors of andere elektronische apparaten.

In hun studie hebben Prentki en zijn collega's bedachten een methode om op een voordelige manier gebonden ladingen in elektronische apparaten te manipuleren. Ze noemen deze ontwerpstrategie 'bound-charge engineering'.

"Specifiek, met behulp van de vergelijkingen van Maxwell, kan worden aangetoond dat wanneer een elektrisch veld het grensvlak tussen twee materialen doorkruist, gebonden ladingsformulieren op die interface, "zei Prentki. "Bovendien, de hoeveelheid gebonden lading is evenredig met de grootte van het elektrische veld, evenals het verschil tussen de permittiviteiten van de twee materialen. Permittiviteit is een materiële eigenschap die kwantificeert hoeveel een materiaal polariseert als reactie op een extern elektrisch veld."

Prentki en zijn collega's toonden aan dat oppervlaktegebonden ladingen op het grensvlak tussen twee gebieden van een elektronisch apparaat kunnen worden gecontroleerd door het elektrische veld af te stemmen en materialen te kiezen met geschikte permittiviteitswaarden. Om betere tunnel-veldeffecttransistoren te creëren, de onderzoekers stellen voor een deel van de tunnelovergang te omringen met een oxide met een lage permittiviteit, omdat dit de vorming van gebonden lading mogelijk maakt. In hun krant ze overwogen deze strategie voor het fabriceren van een transistor gemaakt van silicium nanodraad.

In bestaande state-of-the-art transistorontwerpen, de silicium nanodraad is omgeven door een oxide met een hoge permittiviteit, zoals hafniumdioxide, die een hoge poortcapaciteit mogelijk maakt. Prentki en zijn collega's, anderzijds, het idee voorstellen om het gebied van de nanodraad dicht bij de tunnelovergang te omringen met behulp van siliciumdioxide, een isolator met een permittiviteitswaarde die slechts 3,8 keer groter is dan de permittiviteit van lucht.

"In ons ontwerp de gebonden lading op het nanodraad-oxide-interface complementeert de vrije ladingen in het screeningseffect, resulterend in een scherpere tunnelovergang, "Dit resulteert in een gebonden-lading-ondersteunde tunnel-veldeffecttransistor met een aan-statusstroom die meer dan 10 keer hoger is dan niet-gebonden-lading-ondersteunde transistoren, die de praktische toepassing ervan in computerapparatuur met hogere klokfrequenties mogelijk zou kunnen maken."

Prentki en zijn collega's toonden aan dat 'bound-charge'-engineering kan worden gebruikt om de grootte van uitputtingsgebieden op de kruising tussen twee gebieden van veldeffecttransistors te regelen. Dit geldt met name voor de plaats waar de "bron" en "kanaal, " of "kanaal" en "afvoer" gebieden van een veldeffecttransistor ontmoeten elkaar. Met andere woorden, gebonden ladingen kunnen worden gebruikt om vrije ladingen te ondersteunen om een ​​sterker afschermingseffect in transistoren mogelijk te maken.

"Ons werk introduceert een algemene methode om gebonden ladingen in ons voordeel te ontwikkelen in materialen en apparaten, "Zei Prentki. "Dit is vooral handig bij opkomende eendimensionale en tweedimensionale materialen. Bijvoorbeeld, Bound-charge-engineering biedt aanzienlijke prestatieverbeteringen in silicium nanodraadtunnel-veldeffecttransistoren."

In hun recente krant de onderzoekers bewezen dat hun strategie voor het beheersen van de grootte van uitputtingsgebieden kan worden gebruikt om de prestaties van een specifiek type veldeffecttransistor met laag vermogen te verbeteren, namelijk, een tunnelveldeffecttransistor. In hun volgende studies, ze zullen de haalbaarheid van hun strategie experimenteel testen, gebruiken om een ​​echte tunnelveldeffecttransistor te realiseren.

"Ons onderzoek was puur gebaseerd op simulatie, " legde Prentki uit. "Hoewel we een geavanceerde simulatiemethode gebruikten, alleen een solide, real-world realisatie van het apparaat kan zonder enige twijfel bewijzen dat het concept van gebonden lading-engineering echt werkt."

Naast het bewijzen van de haalbaarheid van gebonden ladingstechniek voor het maken van beter presterende tunnelveldeffecttransistoren met behulp van nanodraden, de onderzoekers willen hun strategie nu ook toepassen op andere gebieden van nano-elektronica. Bijvoorbeeld, ze willen de effectiviteit ervan testen voor het downscalen van specifieke typen transistors.

"Bound-charge engineering is een zeer algemeen idee dat is vastgesteld door basiswetten van elektromagnetisme, "Prentki toegevoegd. "Dus, in principe, het is niet beperkt tot toepassingen op het gebied van nano-elektronica en transistorontwerp. Daarom, we willen dit concept ook toepassen op andere onderzoeksgebieden waar gebonden lading en screening belangrijk kunnen zijn, zoals moleculaire elektronica, elektrochemie en kunstmatige fotosynthese."

© 2021 Science X Network