חוקרים מאוניברסיטת סיטי בהונג קונג הציגו גישה פורצת דרך בטכנולוגיית מוליכים למחצה באמצעות טרנזיסטורים מעורבים ממדים. חידוש זה סולל את הדרך לאלקטרוניקה יעילה יותר, בעלת ביצועים גבוהים, מתגברת על האתגרים של הקטנת קנה מידה מסורתית ומדגישה קפיצת מדרגה משמעותית לעבר מעגלים משולבים מתקדמים ורב-תכליתיים.
המזעור של רכיבים אלקטרוניים, כולל טרנזיסטורים, הגיע לרמה, והציב מכשולים בייצור של מוליכים למחצה. אף על פי כן, קבוצת חוקרים, בראשות מומחים למדעי החומרים מאוניברסיטת העיר הונג קונג (CityUHK), חשפה גישה חדשה ליצירת אלקטרוניקה רב-תכליתית ובעלת ביצועים גבוהים באמצעות טרנזיסטורים העשויים מננו-חוטים וננו-פתיתים מעורבים. פריצת דרך זו מקלה על עיצוב מעגלי שבבים ומקדמת פיתוח של מכשירים אלקטרוניים עתידיים שהם גמישים וחסכוניים באנרגיה כאחד.
בעשורים האחרונים, כאשר קנה המידה המתמשך של טרנזיסטורים ומעגלים משולבים החל להגיע לגבולות פיזיים וכלכליים, ייצור התקני מוליכים למחצה באופן בר שליטה וחסכוני הפך למאתגר. קנה מידה נוסף של גודל הטרנזיסטור מגדיל את זליגת הזרם ובכך את פיזור ההספק. לרשתות חיווט מורכבות יש גם השפעה שלילית על צריכת החשמל.
לוגיקה רבת ערכים (MVL) התגלתה כטכנולוגיה מבטיחה להתגברות על צריכת החשמל הגוברת. היא מתעלה מעל המגבלות של מערכות לוגיקה בינארית קונבנציונלית על ידי הפחתה משמעותית של מספר רכיבי הטרנזיסטור והחיבורים ההדדיים שלהם, מה שמאפשר צפיפות מידע גבוהה יותר ופיזור הספק נמוך יותר. מאמצים משמעותיים הוקדשו לבניית התקני לוגיקה רב-ערכים שונים, כולל טרנזיסטורים אנטי-אמביפולריים (AAT).
פריצת דרך בטרנזיסטורים אנטי-אמביפולאריים
התקנים אנטי-אמביפולאריים הם סוג של טרנזיסטורים שבהם נושאי מטען חיוביים (חורים) ושליליים (אלקטרון) יכולים שניהם להעביר במקביל בתוך הערוץ המוליך למחצה. עם זאת, מכשירים קיימים מבוססי AAT משתמשים בעיקר בחומרים דו-ממדיים או אורגניים, שאינם יציבים לאינטגרציה של התקני מוליכים למחצה בקנה מידה גדול. כמו כן, מאפייני התדר שלהם ויעילות האנרגיה שלהם נחקרו רק לעתים רחוקות.
כדי לטפל במגבלות אלו, צוות מחקר בראשות פרופסור ג'וני הו, סגן נשיא שותף (ארגוני) וראש שותף במחלקה למדע והנדסת חומרים ב-CityUHK, החל במחקר לפיתוח מעגלים מבוססי התקן אנטי אמביפולרי עם מידע גבוה יותר צפיפות ופחות חיבורים, ולחקור את מאפייני התדר שלהם.
דיאגרמה סכמטית של מהפך טרינרי המבוסס על הטרוצומת GaAsSb/MoS2. קרדיט: קבוצת המחקר של פרופסור ג'וני הו / אוניברסיטת העיר הונג קונג
הצוות יצר טכניקת שקיעת אדים כימית מתקדמת ליצירת הטרו-טרנזיסטור חדשני, מעורב-ממדי, המשלב את התכונות הייחודיות של ננו-חוטי GaAsSb ו-MoS באיכות גבוהה.2 ננו פתיתים.
טרנזיסטורים מעורבים ממדים מהפכניים
לטרנזיסטורים האנטי-אמביפולאריים החדשים היו ביצועים יוצאי דופן. הודות לתכונות צימוד הממשק החזק ומאפייני יישור מבנה הרצועה של ה-GaAsSb/MoS המעורב-מימדי2 בצומת, להטרו-טרנזיסטור מאפייני העברה אנטי-אמביפולאריים בולטים עם היפוך של טרנסמוליכות.
היפוך ההולכה מכפיל את התדר בתגובה לאות המעגל האנלוגי המבוא, ומפחית מאוד את מספר ההתקנים הנדרשים בהשוואה למכפיל התדרים הרגיל בטכנולוגיית CMOS.
"הטרנזיסטורים האנטי-אמבי-קוטביים שלנו, המעורבים-ממדיים, יכולים ליישם מעגלים לוגיים מרובי-ערכים ומכפילי תדר בו-זמנית, מה שהופך אותו לראשון מסוגו בתחום יישומי טרנזיסטורים אנטי-אמבי-קוטביים", אמר פרופסור הו.
פרופסור ג'וני הו מאוניברסיטת סיטי בהונג קונג. קרדיט: אוניברסיטת סיטי של הונג קונג
מאפייני ההיגיון הרב-ערכיים מפשטים את רשתות החיווט המסובכות ומפחיתים את פיזור הספק שבב. הצטמקות ממדיות המכשיר, יחד עם אזור הצומת המופחת, הופכים את המכשיר למהיר וחסכוני באנרגיה, וכתוצאה מכך מעגלים דיגיטליים ואנלוגיים בעלי ביצועים גבוהים.
"הממצאים שלנו מראים שהתקנים אנטי-אמביפולריים בעלי ממדים מעורבים מאפשרים עיצוב מעגלים של שבבים עם צפיפות אחסון מידע גבוהה ויכולת עיבוד מידע", אמר פרופסור הו. "עד כה, רוב החוקרים בתעשיית המוליכים למחצה התמקדו במזעור מכשירים כדי לשמור על חוק מור. אבל הופעתו של המכשיר האנטי-אמביפולרי מראה את העליונות ההשוואתית של הטכנולוגיה הקיימת מבוססת לוגיקה בינארית. הטכנולוגיה שפותחה במחקר זה מהווה צעד גדול לקראת הדור הבא של מעגלים משולבים רב-תכליתיים וטכנולוגיות טלקומוניקציה".
המחקר גם פותח את האפשרות לפשט עוד יותר תכנוני מעגלים משולבים מורכבים כדי לשפר את הביצועים.
תכונת היפוך טרנס-מוליכות של ההתקן האנטי-אמבי-פולרי המעורב-ממדית הראתה אפשרות של יישומים רב-תכליתיים בעיבוד אותות דיגיטלי ואנלוגי, כולל ממירי לוגיקה משולשת, אלקטרוניקה אופטו-אלקטרוניקה מתקדמת ומעגלים להכפלת תדרים. "מבנה המכשיר החדש מבשר את הפוטנציאל של מהפכה טכנולוגית באלקטרוניקה רב-תכליתית עתידית", הוסיף פרופסור הו.
המחקר מומן על ידי מועצת מענקי המחקר של האזור המנהלי המיוחד של הונג קונג והוועדה לחדשנות במדע וטכנולוגיה של עיריית שנזן.
