Исследователи из Японии создали первый «n-канальный» транзистор на основе алмаза, приближая нас к процессорам, способным работать при сверхвысоких температурах. Это устраняет необходимость в прямом охлаждении и расширяет диапазон сред, в которых могут работать процессоры.
Используя алмаз в транзисторе — электрических переключателях, которые переключаются между 1 и 0 при подаче напряжения — исследование открывает перспективу создания электроники, которая будет меньше, быстрее и энергоэффективнее.
Они также могут работать в гораздо более суровых условиях, чем обычные компоненты — при температуре выше 572 градусов по Фаренгейту (300 градусов по Цельсию), а не типичного предела транзистора в 212 градусов по Фаренгейту (100 градусов по Цельсию) — и могут выдерживать гораздо более высокие напряжения, прежде чем выйти из строя.
Ученые подробно описали свои выводы в статье, опубликованной 19 января в журнале Advanced Science.
Кремниевые транзисторы используются для производства процессоров с начала 1960-х годов, но они достигают своих физических ограничений, поскольку размер производственного процесса (всего 3 нанометра) приближается к 0,2-нанометровой ширине атомов кремния.
Существует несколько различных типов транзисторов, но наиболее часто используется полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET), где термин «металл-оксид-полупроводник» относится к кремниевой пластине обычного компьютерного чипа.
Внутри МОП-транзисторов также существуют разные конфигурации, называемые n-канальными и p-канальными. N-канальные транзисторы используют электроны для переноса заряда, тогда как p-канальные транзисторы используют «дырки» — то есть, в значительно упрощенном виде, зазоры, оставленные после себя ускользнувшими электронами. N-канальные транзисторы обычно используются в силовых переключателях верхнего плеча для защиты батарей.
Связанный: Прорыв в области универсальной памяти приближает следующее поколение компьютеров на один шаг ближе к значительному увеличению скорости
В новом исследовании ученые создали транзистор с двумя «алмазными слоями, легированными фосфором». Легирование фосфором, которое просто означает добавление элемента в слои, необходимо для увеличения проводимости. Это n-канальный слой, несущий свободные электроны, который заменит слой кремния в обычном чипе. Когда протекает достаточное количество электронов, они соединяют два конца затвора, известные как «исток» и «сток». Это замыкает цепь и представляет 1, а не 0.
Команда слегка легировала отрицательный слой фосфором и сильно легировала второй, положительный слой. Затем ученые сформировали контакты «исток» и «сток» из отожженного титана на верхнем, сильно легированном слое, а затем добавили триоксид алюминия толщиной 30 нанометров в качестве изолятора. Результатом стал первый в мире работающий n-канальный MOSFET-транзистор, изготовленный с использованием алмаза.
Затем исследователи подвергли транзистор серии испытаний, чтобы проверить его проводимость. «Алмазные МОП-транзисторы n-типа обладают высокой полевой подвижностью около 150 см2/В/сек при температуре 573 К», — заявили они в своей статье, имея в виду высокую проводимость и стабильность при чрезвычайно высоких температурах. Это был «самый высокий показатель среди всех n-канальных МОП-транзисторов на основе широкозонных полупроводников», отметили они.
Запрещенная зона, измеряемая в электронвольтах (единица кинетической энергии), представляет собой область внутри n-канала, в которой валентные электроны (находящиеся во внешней оболочке атома) могут свободно перемещаться. Более широкая запрещенная зона означает, что компонент может работать при более высоких напряжениях и частотах. Ширина запрещенной зоны алмаза составляет 5,47 эВ по сравнению с 1,12 эВ у кремния.
Это не первый прорыв в области алмазных транзисторов. Другая группа опубликовала в январе 2022 года в журнале Nature исследование, в котором подробно описывается, как создавать широкозонные p-канальные транзисторы на основе алмаза. До сих пор ученым не удалось продемонстрировать работающий n-канальный транзистор на основе алмаза.
Что касается будущего применения их транзистора, ученые предположили, что он может работать в энергоэффективной электронике, а также в устройствах спинтроники и датчиках, изготовленных на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС), которые могут работать в суровых условиях, таких как космос.
Существуют и другие применения алмазных полупроводников, в том числе в суперкомпьютерах, электромобилях (EV), а также в более легкой и прочной бытовой электронике.
2024-03-27 10:00:56
1711534042
#Новый #алмазный #транзистор #является #первым #мире #открывает #путь #высокоскоростным #вычислениям #при #самых #высоких #температурах
