Пять разработок, которые смогут заменить кремниевые транзисторы

23 декабря 1947 года американские учёные Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн из Bell Labs официально представили своё изобретение — биполярный транзистор.

Дата

23 декабря 2013

С тех пор эта дата считается днём рождения транзистора.

Несколько позже, в 1956 году, исследователи были удостоены за изобретение, избавившее мир электроники от громоздких вакуумных ламп, Нобелевской премии по физике.

Классический транзистор, как известно, представляет собой компонент из полупроводникового материала, который позволяет с помощью входного сигнала управлять электрическим током в выходной цепи. Современные технологии способны реализовать двоичную логику работы транзистора не только с помощью электрического заряда.

Мы собрали пять новейших научных разработок, которые могут в обозримом будущем заменить привычные кремниевые транзисторы.

Магнитные переключатели

В конце 2013 года появилось сообщение, что учёные из Калифорнийского университета в Беркли создали магнитные переключатели на основе танталовых проводников. Главное преимущество таких устройств — они не нуждаются в постоянной подаче электрического тока для того, чтобы сохранять своё состояние.

Исследователям удалось обойти основное препятствие на пути использования магнитных переключателей — огромные затраты энергии на создание магнитного поля, которое бы ориентировало магниты в пространстве для их переключения. На помощь пришло уникальное свойство танталового проводника поляризоваться при прохождении через него электрического тока.

Привлекательность чипов на магнитных переключателях заключается ещё и в том, что они легко программируются. Так что теоретически можно будет использовать одни и те же переключатели для решения различных задач, например, декодирования и воспроизведения видео.

Транзисторы на квантовых точках

Учёные Мичиганского технологического института предложили транзистор, в котором вообще отсутствуют полупроводниковые материалы. Вместо этого на «ковре» нанотрубок из нитрида бора помещаются квантовые точки (золотые сферы диаметром 3 нм).

При подаче напряжения электроны перемещаются между квантовыми точками в строго заданном направлении и транзистор начинает работать. В нормальном же состоянии это — изолятор с высоким сопротивлением.

Эффект квантового туннелирования обеспечивает работу устройства при любых температурах, даже комнатных, без какого-либо нагрева. Ведь тонко регулируемый поток электронов исключает их рассеивание, приводящее к утечкам тепла.

Движение электронов по квантовым точкам. Фото с MTU.

Тепловые транзисторы

Филипп Бен-Абдалла из французского университета Париж-Юг и Свенд-Аге Бихс из Ольденбургского университета имени Карла фон Осецкого, Германия, предложили разработку, в которой вместо электрического тока используется поток тепла. Причём работа такого теплового транзистора строится на передаче фотонов (квантов электромагнитного излучения), а не фононов (квантов колебательного движения атомов кристалла), как у других исследователей.

Исток и сток в тепловом транзисторе выполнены из кварца и нагреваются управляемо, а в качестве затвора выступает тонкий слой оксида ванадия. При нагревании затвор превращается в проводник для фотонов, а при остывании — в изолятор. Чтобы гарантировать перенос тепла только в виде излучения, затвор отделён от истока и стока 50 нм.

Одно из самых привлекательных преимуществ теплового транзистора на основе фотонов — потенциальное ограничение скорости работы такого устройства только скоростью света. А одна из самых очевидных сфер применения — микроэлектромеханические машины, использующие тепло для перемещения других микроустройств.

Общая схема теплового транзистора нового типа.

Синаптические транзисторы

Специалисты из Гарвардского университета попытались создать искусственную версию человеческого мозга. Имитируя поведение синапсов головного мозга, это устройство способно к самообучению в процессе работы, оптимизируя свои электронные и проводящие характеристики в зависимости от функций, выполняемых в прошлом.

Для «запоминания» предыдущих действий синаптический транзистор использует насыщенную ионами кислорода жидкость, которая находится между изоляционным затвором и проводящим каналом. А сам проводящий канал изготавливается из никелата самария.

Из-за возможности самообучения скорость реакции синаптического транзистора пока что ниже, чем обычного полевого. Однако исследователи считают, что эта разработка может вывести технологии создания систем искусственного интеллекта и параллелизма готовых вычислений на принципиально новые уровни.

Оптические транзисторы

О создании полностью оптического транзистора, то есть устройства, в котором передача света регулируется при помощи света, летом 2013 года заявили учёные Массачусетского технологического института. Они создали так называемый оптический ключ, контролируемый одним фотоном.

В положении «включено» ключ полностью пропускает луч света через систему из двух зеркал. В положении «выключено» вероятность похождения луча через зеркала снижается до 20%. Чтобы полностью блокировать прохождение света, пространство между зеркалами заполняется переохлаждёнными атомами цезия.

Исследователи считают, что принцип построения их оптического ключа вполне пригоден для использования в чипах, а сама разработка пригодится для квантовых компьютеров.