Исследователи из Фуданьского университета в Шанхае (Fudan University), Китай, обнаружили способ существенного ускорения работы традиционных полевых транзисторов, которые сегодня являются основой практически всех компьютерных чипов, от процессоров до памяти. Работа, опубликованная в журнале Science, описывает структуру нового туннельного полевого транзистора (Tunneling Field-Effect Transistor, TFET), на переключение которого, по сравнению с обычными транзисторами, требуется значительно меньшее количество энергии, что, в свою очередь, позволяет работать этому транзистору на более высоких частотах.
В большинстве современных компьютерных чипов используются MOSFET-транзисторы (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors), управляемые с помощью потенциала на плавающем затворе (Floating-Gate, FG). И, как хорошо известно, технологии изготовления таких транзисторов начинают приближаться к физическим ограничениям, которые не позволяют уменьшать их и без того маленькие размеры, увеличивая частоту их работы. По этой причине исследователи занимаются поисками других способов увеличения быстродействия транзисторов, и китайским ученым определенно удалось сделать это, используя эффект квантового туннелирования, который позволяет электронам “перепрыгнуть” через тонкий слой материала.
Туннельные TFET-транзисторы уже известны ученым и инженерам некоторое время и раньше даже были изготовлены опытные образцы таких транзисторов на основе графена, демонстрирующих невероятные скоростные характеристики. Но китайским ученым удалось реализовать нечто иное, в основе их TFET-транзистора лежит структура обычного полевого транзистора, в которой присутствует дополнительный управляющий электрод. Этот дополнительный затвор, связанный со структурой канала транзистора, за счет эффекта квантового туннелирования позволяет осуществить более быстрый перенос электрического заряда на традиционный плавающий затвор. Такая уникальная особенность позволяет управлять состоянием транзистора, тратя на это лишь малую часть энергии, которая требуется для наполнения емкости и наращивания потенциала плавающего затвора обычного транзистора.
Испытания опытных образцов новых TFET-транзисторов показали, что скорость их работы существенно увеличилась по сравнению с обычными полевыми транзисторами, время, требующееся на переключение состояния такого транзистора, находится в районе максимум одной наносекунды. Помимо этого, такие транзисторы могут обеспечить устойчивую работу в достаточно широком диапазоне рабочего напряжения, начиная от напряжения, менее 2 Вольт, и заканчивая пороговым напряжением в 3.1 Вольта. К сожалению, из-за неточностей изготовления первых опытных образцов таких транзисторов их характеристики значительно отличались, ученые собираются исправить это в самое ближайшее время, изготовив другой набор опытных образцов TFET-транзисторов на обычном промышленном оборудовании, позволяющем создать практически идентичные полупроводниковые структуры и приборы.
Так как базой нового TFET-транзистора является структура традиционного MOSFET-транзистора, то для производства чипов с новыми транзисторами не требуется ни использования новых материалов, ни даже перенастройки имеющегося производственного оборудования. После проведения дополнительных тестов и исследований эта технология может начать внедряться в электронной промышленности практически немедленно, что сможет послужить основой ускорения работы будущих компьютеров и появления портативных электронных устройств, требующих для своей работы совсем немного энергии.
