Как совместить вакуумную и полупроводниковую электронику

Источник: news.pitt.edu

Полупроводниковые транзисторы были изобретены в 1947 году, они позволили отказаться от громоздких и неэффективных вакуумных ламп. Но сейчас инженеры Университета Питтсбурга (США) решили вернуться к старой технологии и совместить ее с новейшими достижениями. В электронике действует так называемый «Закон Мура», согласно которому число транзисторов на чипах одной и той же площади (к примеру, в процессорах компьютеров) должно удваиваться каждые два года. Но транзисторы на основе кремниевых полупроводников вплотную подошли к барьеру, после которого их улучшение будет уже невозможно по физическим причинам.

Как отмечает профессор Хонг Ку Ким, главный исследователь нового проекта, одним из препятствий для дальнейшего развития транзисторов является предел их скорости. На «путешествие» от одного устройства к другому электронам требуется относительно много времени. Когда электроны двигаются внутри твердого тела, они неизбежно подвергаются столкновениям и рассеиванию. Это можно сравнить с движением автомобилей по ухабистой и забитой машинами дороге. Лучший способ избежать этого ограничения — вывести электроны в наноразмерный воздушный или вакуумный канал (превратить машину в самолет и поднять ее в небо). Но традиционные вакуумные электронные приборы требуют высокого напряжения и не совместимы с современными устройствами.

Команда профессора Кима обнаружила, что электроны, заключенные внутри полупроводника, на границе со слоем оксида металла могут быть легко извлечены в воздух. При этом электроны удерживаются возле границы интерфейса листом заряженного графена, образуя двумерный электронный газ. Кулоновское взаимодействие заряженных частиц в этом слое обеспечивает легкую эмиссию электронов, для этого требуется очень малое напряжение (менее 1 В). Помещение электронов в воздушный канал нанометрового масштаба позволяет им двигаться с большой скоростью, без каких-либо столкновений или рассеивания. По словам профессора Кима, такая электронная система может стать основой нового класса транзисторов, с низким энергопотреблением и высоким быстродействием. При этом они будут совместимы с существующей кремниевой электроникой.