3. Нанотранзистор
Сейчас перед учеными и инженерами, занятыми разработкой электронных устройств, особенно компьютерной техники, стоит на первый взгляд непреодолимый барьер - существует определенный лимит числа транзисторов, расположенных на элементе площади кремневой подложки той или иной микросхемы. Иначе говоря, выше какой-то определенной плотности элементов (транзисторов) в одной микросхеме подняться при нынешнем подходе изготовления невозможно. Этот барьер можно преодолеть при использовании транзисторов на основе углеродных нанотрубок.
Полевой транзистор представляет собой трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором ток, протекающий между двумя электродами (истоком и стоком) через канал, управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения на третий электрод (затвор).
Исследователям компании Infineon Technologies удалось создать работоспособный нанотранзистор с длиной проводящего канала всего 18 нанометров, в качестве которого была использована нанотрубка диаметром от 0,7 до 1,1 нм (рис.5).
а
Рис. 4. Полевой транзистор на полупроводниковой нанотрубке.
Нанотрубка лежит на непроводящей (кварцевой) подложке в контакте с двумя сверхтонкими проводами, в качестве третьего электрода (затвора) используется кремниевый слой (а); зависимость проводимости в цепи от потенциала затвора (б).
В транзисторе на полупроводниковой нанотрубке электрическое поле управляет концентрацией носителей в зонах делокализованных состояний. В полупроводниковой нанотрубке состояния валентной зоны отделены от состояний зоны проводимости энергетической щелью - запрещенной зоной. Из-за наличия этой щели при обычных условиях концентрация носителей в зонах мала и нанотрубка обладает высоким сопротивлением. При подаче на третий электрод (затвор) электрического потенциала U в области нанотрубки возникает электрическое поле, и изгиб энергетических зон изменяется. При этом концентрация дырок в валентной зоне (и соответственно электропроводность) возрастает по экспоненциальному закону со смещением края зоны относительно уровня Ферми. При потенциале затвора около –6 В концентрация дырок достигает максимального значения, сопротивление - минимального, а нанотрубка становится металлической.
Новый нанотранзистор может проводить токи до 15 мA при подаче на него напряжения всего 0,4 В. При производстве микроэлектронных компонентов на основе нового чипа плотность размещения транзисторов будет в десять раз больше, чем в современных чипах. Также из-за низкого напряжения питания предполагается, что чипы на новых транзисторах станут более экономичными, чем современные.
Кроме того, новая технология позволяет преодолеть все возможные пределы сверхпроводимости, установленные обычными медными и алюминиевыми проводами. Как оказалось, транзисторы из углеродных нанотрубок способны обеспечивать скорость передачи электрического сигнала, превышающую 10 ГГц. Это дает возможность в будущем создавать еще более быстрые компьютеры, значительно повысить эффективность беспроводных сетей и ускорить сотовые системы мобильной связи.