సిగ్నల్‌లను విస్తరించడానికి మరియు మార్చడానికి ఉపయోగించే సిలికాన్ ట్రాన్సిస్టర్లు స్మార్ట్‌ఫోన్‌ల నుండి ఆటోమొబైల్స్ వరకు చాలా ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలలో కీలకమైన భాగం. కానీ సిలికాన్ సెమీకండక్టర్ సాంకేతికత ఒక ప్రాథమిక భౌతిక పరిమితి ద్వారా వెనుకబడి ఉంటుంది, ఇది ట్రాన్సిస్టర్లు నిర్దిష్ట వోల్టేజ్ కంటే తక్కువ పని చేయకుండా నిరోధిస్తుంది.
“బోల్ట్జ్‌మాన్ దౌర్జన్యం” అని పిలువబడే ఈ పరిమితి కంప్యూటర్లు మరియు ఇతర ఎలక్ట్రానిక్‌ల శక్తి సామర్థ్యాన్ని అడ్డుకుంటుంది, ప్రత్యేకించి వేగవంతమైన గణనను కోరే కృత్రిమ మేధస్సు సాంకేతికతలను వేగంగా అభివృద్ధి చేయడంతో.
సిలికాన్ యొక్క ఈ ప్రాథమిక పరిమితిని అధిగమించే ప్రయత్నంలో, MIT పరిశోధకులు ప్రత్యేకమైన అల్ట్రాథిన్ సెమీకండక్టర్ మెటీరియల్‌లను ఉపయోగించి విభిన్న రకాల త్రిమితీయ ట్రాన్సిస్టర్‌ను రూపొందించారు.
వాటి పరికరాలు, కొన్ని నానోమీటర్ల వెడల్పు ఉన్న నిలువు నానోవైర్‌లను కలిగి ఉంటాయి, సాంప్రదాయిక పరికరాల కంటే చాలా తక్కువ వోల్టేజీల వద్ద సమర్థవంతంగా పనిచేస్తున్నప్పుడు అత్యాధునిక సిలికాన్ ట్రాన్సిస్టర్‌లతో పోల్చదగిన పనితీరును అందించగలవు.
“ఇది సిలికాన్‌ను భర్తీ చేయగల సామర్థ్యం ఉన్న సాంకేతికత, కాబట్టి మీరు ప్రస్తుతం సిలికాన్ కలిగి ఉన్న అన్ని ఫంక్షన్‌లతో దీన్ని ఉపయోగించవచ్చు, కానీ మెరుగైన శక్తి సామర్థ్యంతో,” అని MIT పోస్ట్‌డాక్ మరియు కొత్త పేపర్‌కి ప్రధాన రచయిత అయిన యాంజీ షావో చెప్పారు. ట్రాన్సిస్టర్లు.
ట్రాన్సిస్టర్లు తక్కువ-వోల్టేజ్ ఆపరేషన్‌ను మరియు కొన్ని చదరపు నానోమీటర్ల విస్తీర్ణంలో అధిక పనితీరును ఏకకాలంలో సాధించడానికి క్వాంటం మెకానికల్ లక్షణాలను ప్రభావితం చేస్తాయి. వాటి అతి చిన్న పరిమాణం ఈ 3D ట్రాన్సిస్టర్‌లలో మరిన్నింటిని కంప్యూటర్ చిప్‌లో ప్యాక్ చేయడానికి వీలు కల్పిస్తుంది, దీని ఫలితంగా వేగవంతమైన, శక్తివంతమైన ఎలక్ట్రానిక్స్ మరింత శక్తి-సమర్థవంతమైనవి.
“సాంప్రదాయ భౌతిక శాస్త్రంతో, మీరు ఇంత దూరం మాత్రమే వెళ్ళగలరు. మేము దాని కంటే మెరుగ్గా చేయగలమని యాంజీ యొక్క పని చూపిస్తుంది, కానీ మేము విభిన్న భౌతిక శాస్త్రాన్ని ఉపయోగించాలి. ఈ విధానం వాణిజ్యపరంగా ఉండటానికి ఇంకా చాలా సవాళ్లను అధిగమించాల్సి ఉంది. భవిష్యత్తు, కానీ సంభావితంగా, ఇది నిజంగా పురోగతి” అని MIT డిపార్ట్‌మెంట్ ఆఫ్ ఎలక్ట్రికల్ ఇంజనీరింగ్ మరియు కంప్యూటర్ సైన్స్ (EECS)లో ఇంజినీరింగ్ డోనర్ ప్రొఫెసర్ సీనియర్ రచయిత జెసస్ డెల్ అలమో చెప్పారు.
టోక్యో ఎలక్ట్రిక్ పవర్ కంపెనీ న్యూక్లియర్ ఇంజినీరింగ్ ప్రొఫెసర్ మరియు MITలో మెటీరియల్ సైన్స్ మరియు ఇంజినీరింగ్ ప్రొఫెసర్ అయిన జు లీ వారితో జతకట్టారు; EECS గ్రాడ్యుయేట్ విద్యార్థి హావో టాంగ్; MIT పోస్ట్‌డాక్ బామింగ్ వాంగ్; మరియు ఇటలీలోని ఉడిన్ విశ్వవిద్యాలయానికి చెందిన మార్కో పాలా మరియు డేవిడ్ ఎస్సేని ప్రొఫెసర్లు. పరిశోధనలో కనిపిస్తుంది ప్రకృతి ఎలక్ట్రానిక్స్.
సిలికాన్‌ను అధిగమించింది
ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలలో, సిలికాన్ ట్రాన్సిస్టర్లు తరచుగా స్విచ్‌లుగా పనిచేస్తాయి. ట్రాన్సిస్టర్‌కు వోల్టేజ్‌ని వర్తింపజేయడం వల్ల ఎలక్ట్రాన్లు శక్తి అవరోధంపై ఒక వైపు నుండి మరొక వైపుకు కదులుతాయి, ట్రాన్సిస్టర్‌ను “ఆఫ్” నుండి “ఆన్”కి మారుస్తుంది. మారడం ద్వారా, ట్రాన్సిస్టర్లు గణనను నిర్వహించడానికి బైనరీ అంకెలను సూచిస్తాయి.
ట్రాన్సిస్టర్ యొక్క స్విచింగ్ స్లోప్ “ఆఫ్” నుండి “ఆన్” పరివర్తన యొక్క పదును ప్రతిబింబిస్తుంది. కోణీయ వాలు, ట్రాన్సిస్టర్‌ను ఆన్ చేయడానికి తక్కువ వోల్టేజ్ అవసరమవుతుంది మరియు దాని శక్తి సామర్థ్యం ఎక్కువ.
కానీ ఎలక్ట్రాన్లు శక్తి అవరోధం మీదుగా ఎలా కదులుతాయి కాబట్టి, బోల్ట్జ్‌మాన్ దౌర్జన్యానికి గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద ట్రాన్సిస్టర్‌ను మార్చడానికి నిర్దిష్ట కనీస వోల్టేజ్ అవసరం.
సిలికాన్ యొక్క భౌతిక పరిమితిని అధిగమించడానికి, MIT పరిశోధకులు వేర్వేరు సెమీకండక్టర్ పదార్థాలను ఉపయోగించారు — గాలియం యాంటీమోనైడ్ మరియు ఇండియం ఆర్సెనైడ్ – మరియు క్వాంటం టన్నెలింగ్ అని పిలువబడే క్వాంటం మెకానిక్స్‌లో ఒక ప్రత్యేకమైన దృగ్విషయాన్ని ప్రభావితం చేయడానికి వారి పరికరాలను రూపొందించారు.
క్వాంటం టన్నెలింగ్ అనేది అడ్డంకులను చొచ్చుకుపోయే ఎలక్ట్రాన్ల సామర్ధ్యం. పరిశోధకులు టన్నెలింగ్ ట్రాన్సిస్టర్‌లను రూపొందించారు, ఇది ఎలక్ట్రాన్‌లను శక్తి అవరోధం మీదుగా వెళ్లకుండా నెట్టడానికి ప్రోత్సహించడానికి ఈ ఆస్తిని ప్రభావితం చేస్తుంది.
“ఇప్పుడు, మీరు పరికరాన్ని చాలా సులభంగా ఆన్ మరియు ఆఫ్ చేయవచ్చు” అని షావో చెప్పారు.
టన్నెలింగ్ ట్రాన్సిస్టర్లు పదునైన స్విచ్చింగ్ స్లోప్‌లను ఎనేబుల్ చేయగలవు, అవి సాధారణంగా తక్కువ కరెంట్‌తో పనిచేస్తాయి, ఇది ఎలక్ట్రానిక్ పరికరం యొక్క పనితీరును అడ్డుకుంటుంది. డిమాండ్ చేసే అప్లికేషన్‌ల కోసం శక్తివంతమైన ట్రాన్సిస్టర్ స్విచ్‌లను రూపొందించడానికి అధిక కరెంట్ అవసరం.
ఫైన్-గ్రెయిన్డ్ ఫ్యాబ్రికేషన్
నానోస్కేల్ పరిశోధన కోసం MIT యొక్క అత్యాధునిక సౌకర్యమైన MIT.nano వద్ద సాధనాలను ఉపయోగించి, ఇంజనీర్లు తమ ట్రాన్సిస్టర్‌ల యొక్క 3D జ్యామితిని జాగ్రత్తగా నియంత్రించగలిగారు, కేవలం 6 నానోమీటర్ల వ్యాసంతో నిలువు నానోవైర్ హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లను సృష్టించారు. ఇప్పటి వరకు నివేదించబడిన అతి చిన్న 3D ట్రాన్సిస్టర్లు ఇవి అని వారు నమ్ముతున్నారు.
ఇటువంటి ఖచ్చితమైన ఇంజనీరింగ్ ఏకకాలంలో పదునైన స్విచింగ్ వాలు మరియు అధిక విద్యుత్తును సాధించడానికి వీలు కల్పించింది. క్వాంటం నిర్బంధం అనే దృగ్విషయం కారణంగా ఇది సాధ్యమవుతుంది.
ఒక ఎలక్ట్రాన్ చుట్టూ కదలలేనింత చిన్న ప్రదేశానికి పరిమితమైనప్పుడు క్వాంటం నిర్బంధం ఏర్పడుతుంది. ఇది జరిగినప్పుడు, ఎలక్ట్రాన్ యొక్క ప్రభావవంతమైన ద్రవ్యరాశి మరియు పదార్థం యొక్క లక్షణాలు మారుతాయి, ఇది ఒక అవరోధం ద్వారా ఎలక్ట్రాన్ యొక్క బలమైన టన్నెలింగ్‌ను అనుమతిస్తుంది.
ట్రాన్సిస్టర్లు చాలా చిన్నవిగా ఉన్నందున, పరిశోధకులు చాలా బలమైన క్వాంటం నిర్బంధ ప్రభావాన్ని ఇంజనీర్ చేయగలరు, అదే సమయంలో చాలా సన్నని అవరోధాన్ని కూడా రూపొందించవచ్చు.
“ఈ మెటీరియల్ హెటెరోస్ట్రక్చర్‌లను రూపొందించడానికి మాకు చాలా సౌలభ్యం ఉంది, కాబట్టి మేము చాలా సన్నని టన్నెలింగ్ అవరోధాన్ని సాధించగలము, ఇది చాలా ఎక్కువ కరెంట్‌ను పొందేలా చేస్తుంది” అని షావో చెప్పారు.
దీన్ని సాధించడానికి సరిపోయేంత చిన్న పరికరాలను ఖచ్చితంగా రూపొందించడం ఒక పెద్ద సవాలు.
“మేము ఈ పనితో నిజంగా ఒకే-నానోమీటర్ కొలతలు కలిగి ఉన్నాము. ప్రపంచంలోని చాలా కొద్ది సమూహాలు ఆ పరిధిలో మంచి ట్రాన్సిస్టర్‌లను తయారు చేయగలవు. చాలా చిన్నగా ఉన్న అటువంటి బాగా పనిచేసే ట్రాన్సిస్టర్‌లను రూపొందించడంలో యాంజీ అసాధారణమైన సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉంది” అని డెల్ అలమో చెప్పారు.
పరిశోధకులు వారి పరికరాలను పరీక్షించినప్పుడు, స్విచింగ్ వాలు యొక్క పదును సాంప్రదాయ సిలికాన్ ట్రాన్సిస్టర్‌లతో సాధించగల ప్రాథమిక పరిమితి కంటే తక్కువగా ఉంది. వారి పరికరాలు ఇలాంటి టన్నెలింగ్ ట్రాన్సిస్టర్‌ల కంటే 20 రెట్లు మెరుగ్గా పనిచేశాయి.
“ఈ డిజైన్‌తో మేము ఇంత పదునైన స్విచ్చింగ్ నిటారుగా సాధించడం ఇదే మొదటిసారి” అని షావో జతచేస్తుంది.
మొత్తం చిప్‌లో ట్రాన్సిస్టర్‌లను మరింత ఏకరీతిగా మార్చడానికి పరిశోధకులు ఇప్పుడు వారి కల్పన పద్ధతులను మెరుగుపరచడానికి ప్రయత్నిస్తున్నారు. అటువంటి చిన్న పరికరాలతో, 1-నానోమీటర్ వైవిధ్యం కూడా ఎలక్ట్రాన్ల ప్రవర్తనను మార్చగలదు మరియు పరికర పనితీరును ప్రభావితం చేస్తుంది. వారు నిలువు నానోవైర్ ట్రాన్సిస్టర్‌లతో పాటు నిలువు ఫిన్-ఆకారపు నిర్మాణాలను కూడా అన్వేషిస్తున్నారు, ఇవి చిప్‌లోని పరికరాల ఏకరూపతను మెరుగుపరచగలవు.
ఈ పరిశోధన కొంత భాగం ఇంటెల్ కార్పొరేషన్ ద్వారా నిధులు సమకూరుస్తుంది.
