ما وراء قانون مور: الترانزستورات الثورية ذات الناقلات الساخنة تتغلب على تحدي الكفاءة.

 

طور الباحثون نوعًا جديدًا من الترانزستور يُدعى "ترانزستور باعث للحرارة من الجرافين-الجرمانيوم"، وذلك باستخدام آلية جديدة لتوليد ناقلات الشحنات الساخنة، مما حقق أداءً غير مسبوق. يفتح هذا التطور الباب أمام إمكانيات جديدة للأجهزة متعددة الوظائف ذات الأداء العالي واستهلاك الطاقة المنخفض.

تعتبر الترانزستورات المكونات الأساسية للدارات المتكاملة، ومع تصغير حجمها المستمر تواجه تحديات متزايدة. لتحسين أداء الدوائر، أصبح من الضروري تطوير ترانزستورات تعمل وفق مبادئ جديدة. تقدم الترانزستورات التي تستفيد من الطاقة الحركية الزائدة لناقلات الشحنات إمكانيات لتحسين سرعة ووظائف الترانزستور. ومع ذلك، كانت فعاليتها محدودة بسبب الأساليب التقليدية لتوليد هذه الناقلات الساخنة.
قاد فريق من الباحثين بقيادة البروفيسور تشي ليو، والبروفيسور دونغمينغ صن، والبروفيسور هويمينغ تشينغ من معهد أبحاث المعادن في الأكاديمية الصينية للعلوم، تطوير آلية جديدة لتوليد الناقلات الساخنة تُدعى "الانبعاث المحفز للناقلات المُسخنة" (SEHC). كما قام الفريق بتطوير ترانزستور باعث للحرارة (HOET) مبتكر، يحقق مستوى فائق الانخفاض في التأرجح تحت العتبة بأقل من 1 مللي فولت/ديسيبل ونسبة تيار الذروة إلى القاع تتجاوز 100. يوفر هذا البحث نموذجًا أوليًا لجهاز متعدد الوظائف وقليل الاستهلاك للطاقة لعصر ما بعد قانون مور.

دور المواد منخفضة الأبعاد  

تعتبر المواد منخفضة الأبعاد، مثل الجرافين، بفضل سُمكها الذري وخصائصها الكهربائية والبصرية الممتازة وسطحها المثالي الخالي من العيوب، قادرة على تكوين هياكل غير متجانسة بسهولة مع مواد أخرى. هذا يؤدي إلى تشكيل مجموعات متنوعة من نطاقات الطاقة، مما يفتح آفاقًا جديدة لتطوير ترانزستورات ناقلة للشحنات الساخنة.
طور الباحثون في معهد أبحاث المعادن (IMR) ترانزستورًا باعثًا للحرارة باستخدام مزيج من الجرافين والجرمانيوم، مما أدى إلى آلية مبتكرة لتوليد الشحنات الساخنة. يتكون هذا الترانزستور الجديد من تقاطعين شوتكي من الجرافين/الجرمانيوم متصلين.

أثناء التشغيل، يقوم الجرمانيوم بحقن ناقلات شحنات ذات طاقة عالية في قاعدة الجرافين، والتي تنتشر بعد ذلك إلى الباعث، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في التيار نتيجة الناقلات المُسخنة مسبقًا. يتميز هذا التصميم بتأرجح تحت العتبة أقل من 1 مللي فولت لكل ديسيبل، متجاوزًا "حد بولتزمان" التقليدي البالغ 60 مللي فولت لكل ديسيبل. كما أظهر هذا الترانزستور أيضًا نسبة تيار الذروة إلى القاع تتجاوز 100 في درجة حرارة الغرفة. وقد تم إثبات إمكانية استخدامه في الحوسبة المنطقية متعددة القيم بناءً على هذه الخصائص.
صرح ليو: "يفتح هذا العمل مجالًا جديدًا في أبحاث الترانزستورات، مضيفًا عضوًا قيمًا إلى عائلة ترانزستورات الشحنات الساخنة، ويظهر آفاقًا واسعة لاستخدامها في أجهزة متعددة الوظائف ذات أداء عالٍ واستهلاك منخفض للطاقة في المستقبل."
مرجع: "ترانزستور باعث للحرارة يعتمد على الانبعاث المحفز للناقلات المُسخنة" للباحثين تشي ليو وآخرين، نشر في 14 أغسطس 2024 في مجلة Nature.  
DOI: 10.1038/s41586-024-07785-3