Figura. A:Immagine ottica e diagramma a bande dell'eterogiunzione formata dalla variazione di spessore del materiale 2D al fosforo nero. B:Schema del transistor ad effetto di campo tunnel e del bandgap dipendente dallo spessore. C:Curva di trasferimento caratteristica che mostra un'oscillazione sottosoglia ripida e un'elevata corrente di inserzione. Credito:The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
I ricercatori hanno segnalato un transistor al fosforo nero che può essere utilizzato come interruttore alternativo a bassissima potenza. Un team di ricerca guidato dal professor Sungjae Cho nel Dipartimento di Fisica KAIST ha sviluppato un transistor ad effetto di campo (TFET) a tunnel di fosforo nero controllato dallo spessore che mostra un consumo di potenza di commutazione 10 volte inferiore e 10, Consumo energetico in standby migliaia di volte inferiore rispetto ai transistor CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) convenzionali.
Il team di ricerca ha affermato di aver sviluppato transistor veloci e a bassa potenza che possono sostituire i transistor CMOS convenzionali. In particolare, hanno risolto problemi che hanno degradato la velocità e le prestazioni dell'operazione TFET, aprendo la strada all'estensione della legge di Moore.
Nello studio presentato in Nanotecnologia della natura lo scorso mese, Il team del professor Cho ha riportato un TFET a eterogiunzione naturale con spessore dello strato spazialmente variabile in fosforo nero senza problemi di interfaccia. Hanno raggiunto valori di oscillazione sottosoglia medi record bassi su 4-5 dec di corrente e record alti, corrente allo stato, che consente ai TFET di funzionare alla stessa velocità dei transistor CMOS convenzionali con un consumo energetico molto inferiore.
"Abbiamo sviluppato con successo il primo transistor che ha raggiunto i criteri essenziali per un veloce, commutazione a bassa potenza. I nostri TFET di nuova concezione possono sostituire i transistor CMOS risolvendo un grosso problema relativo al degrado delle prestazioni dei TFET, "Ha detto il professor Cho.
Il continuo ridimensionamento dei transistor è stata la chiave per il successo dello sviluppo dell'attuale tecnologia dell'informazione. Però, con la legge di Moore che raggiunge i suoi limiti a causa dell'aumento del consumo di energia, lo sviluppo di nuovi progetti alternativi di transistor è emerso come un'urgente necessità.
Riducendo sia il consumo di energia di commutazione che di standby mentre l'ulteriore ridimensionamento dei transistor richiede il superamento del limite termoionico dell'oscillazione sottosoglia, che è definita come la tensione richiesta per un aumento di dieci volte di corrente nella regione della sottosoglia. Al fine di ridurre sia la commutazione che la potenza di standby dei circuiti CMOS, è fondamentale ridurre l'oscillazione sottosoglia dei transistor.
Però, c'è un limite di oscillazione sottosoglia fondamentale di 60 mV/dec nei transistor CMOS, che origina dall'iniezione di portatore termico. La Roadmap internazionale per dispositivi e sistemi ha già previsto che nel prossimo futuro saranno necessarie nuove geometrie dei dispositivi con nuovi materiali oltre al CMOS per affrontare le sfide del ridimensionamento dei transistor. In particolare, I TFET sono stati suggeriti come una delle principali alternative ai transistor CMOS, poiché l'oscillazione sottosoglia nei TFET può essere sostanzialmente ridotta al di sotto del limite termoionico di 60 mV/dec. I TFET operano tramite tunneling quantistico, che non limita l'oscillazione sottosoglia come nell'iniezione termica dei transistor CMOS.
In particolare, i TFET a eterogiunzione sono molto promettenti per fornire sia un'oscillazione sottosoglia bassa che un'elevata corrente on-state. L'elevata corrente di attivazione è essenziale per il funzionamento rapido dei transistor poiché la ricarica di un dispositivo allo stato di attivazione richiede più tempo con correnti inferiori. A differenza delle aspettative teoriche, TFET di eterogiunzione precedentemente sviluppati mostrano 100-100, 000 volte inferiore corrente di stato (100-100, velocità di funzionamento 000 volte inferiori) rispetto ai transistor CMOS a causa di problemi di interfaccia nell'eterogiunzione. Questa bassa velocità di funzionamento impedisce la sostituzione dei transistor CMOS con TFET a bassa potenza.
Il professor Cho ha detto, "Abbiamo dimostrato per la prima volta, al meglio delle nostre conoscenze, Ottimizzazione TFET per operazioni sia veloci che a bassissima potenza, che è essenziale per sostituire i transistor CMOS per applicazioni a bassa potenza." Ha detto che è molto lieto di estendere la legge di Moore, che alla fine può influenzare quasi ogni aspetto della vita e della società.
