Уменьшать транзисторы можно всё дальше, но снизить энергозатраты при переключении обычных кремниевых схем мешает фундаментальный физический барьер. Исследователи из Гонконгского политехнического университета разработали транзистор, который использует квантовое туннелирование вместо привычного теплового переноса зарядов и работает ниже так называемого предела Больцмана.
Современные логические микросхемы в основном строятся на полевых транзисторах MOSFET. Для перехода между закрытым и открытым состояниями зарядам приходится преодолевать энергетический барьер. При комнатной температуре физика теплового движения ограничивает скорость переключения: для десятикратного изменения тока напряжение на затворе приходится менять как минимум примерно на 60 мВ. Характеристику называют подпороговым размахом, а границу в 60 мВ на декаду часто называют пределом Больцмана.
Проблема становится особенно заметной по мере снижения рабочего напряжения микросхем. Если уменьшать напряжение без улучшения подпорогового размаха, растут токи утечки и энергопотребление. Поэтому инженеры много лет исследуют транзисторы, способные переключаться по другому физическому механизму.
Команда под руководством профессора Цзяньхуа Хао создала туннельный полевой транзистор TFET на основе сверхтонкой гетероструктуры из висмута и селенида индия InSe. Слои наносили методом импульсного лазерного осаждения, тщательно контролируя структуру на нанометровом уровне. В сверхтонком состоянии обычно полуметаллический висмут приобретает полупроводниковые свойства, а расположение энергетических зон позволяет носителям заряда эффективно туннелировать в InSe.
Квантовое туннелирование принципиально отличается от теплового перехода через энергетический барьер. Частице не требуется получать достаточно энергии для преодоления препятствия: квантовая механика допускает прохождение через барьер с определённой вероятностью. Благодаря подобному механизму TFET не связан обычным ограничением MOSFET в 60 мВ на декаду.
В опубликованном в Science исследовании транзистор Bi/InSe сохранял подпороговый размах ниже 60 мВ на декаду в диапазоне изменения тока на шесть порядков. Ток I60, измеряемый в точке достижения уровня 60 мВ на декаду, доходил примерно до десяти микроампер на микрометр, а отношение токов во включённом и выключенном состояниях превышало 107.
Высокий ток особенно важен для практической электроники. Ранние TFET уже демонстрировали очень крутое переключение, но часто выдавали слишком слабый ток во включённом состоянии. Логический элемент в реальном процессоре должен быстро управлять следующими транзисторами, поэтому недостаточный выходной ток увеличивает задержки и сводит часть преимуществ низкого напряжения на нет.
Новый транзистор работал при комнатной температуре на стандартных кремниевых подложках сантиметрового размера. Для переключения исследователям потребовался диапазон напряжения затвора всего 160 мВ. Гонконгский политехнический университет сравнивает показатель примерно с 800 мВ для современных MOSFET, поэтому технология потенциально позволяет заметно снизить напряжение питания логических схем.
Авторы связывают полученные характеристики сразу с несколькими факторами: точным подбором материалов, чистыми границами между слоями, сформированными в вакууме, и инженерией энергетических зон. Импульсное лазерное осаждение также подходит для контролируемого производства тонких двумерных материалов и потенциального масштабирования подобных структур.
До появления процессоров на новых TFET остаётся значительный путь. Лабораторный транзистор ещё предстоит превратить в технологический процесс с миллиардами одинаковых элементов, стабильным выходом годных кристаллов, приемлемой долговечностью и совместимостью со всеми этапами массового производства. Однако сочетание подпорогового размаха ниже предела Больцмана с высоким выходным током устраняет одну из главных проблем, которая долго мешала туннельным транзисторам конкурировать с MOSFET.
Разработчики рассматривают TFET как основу будущих энергоэффективных интегральных схем, включая специализированные ускорители искусственного интеллекта. Главный выигрыш может заключаться не столько в дальнейшем уменьшении самого транзистора, сколько в возможности выполнять вычисления при существенно меньшем напряжении и расходовать меньше энергии на каждое переключение.
