Nejmenší tranzistor světa má 1 nanometrové hradlo  
Nepřekročitelná hranice nejmenší možné velikosti hradla tranzistoru byla překročena. Stačilo použít uhlíkové nanotrubičky a sulfid molybdeničitý.
Průlomový nanotranzistor. Kredit: Sujay Desai / UC Berkeley.
Průlomový nanotranzistor. Kredit: Sujay Desai / UC Berkeley.

Vědci a inženýři se neustále snaží zmenšovat klíčové prvky elektroniky. A už asi tak desetiletí s obavami vyhlížejí konečnou mez, za kterou už zmenšování nebude možné. Před očima jim přitom blikají zákony fyziky, z nichž si odvodili, že u tranzistorů z obvyklých polovodičů je nejmenší možná velikost hradla (gate) tranzistoru 5 nanometrů. V současnosti jsou přitom na trhu tranzistory s hradly o velikosti 20 nanometrů, což už je vcelku na dohled této hranice.

Ali Javey vlevo. Kredit: Marilyn Chung / Berkeley Lab.
Ali Javey vlevo. Kredit: Marilyn Chung / Berkeley Lab.


Kdyby ale mezi zmíněnými vědci a inženýři byl někdo s evolučním myšlením, tak by jim mohl prozradit jednoduchý trik, se kterým je někdy možné podobné „nepřekročitelné“ hranice prorazit. Pokud budeme urputně postupovat vpřed stále stejným směrem, pak ano, záhy narazíme na meze takového přístupu. Stačí ale udělat malý krok stranou, například použít nějaký překvapivý materiál, a nestačíme se divit.

Přesně tohle udělal se svými kolegy Ali Javey z laboratoří Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), když vytvořili fungující tranzistor s hradlem o velikosti pouhého 1 nanometru. Pro připomenutí, lidský vlas má průměr asi 50 tisíc nanometrů. Javey, který v LBNL šéfuje program elektronických materiálů, prohlásil, že sestrojili doposud nejmenší tranzistor v historii. Právě rozměr hradla bývá považován za klíčový faktor, který určuje velikost celého tranzistoru. Podle Javeyho je teď jasné, že se správnou volbou materiálů pro vývoj nových tranzistorů máme v elektronice vlastně ještě dost velký prostor ke zmenšování. Výsledky výzkumu jejich týmu nedávno publikoval časopis Science.

Průřez rekordně malým tranzistorem v elektronovém mikroskopu. Kredit: Qingxiao Wang / UT Dallas.
Průřez rekordně malým tranzistorem v elektronovém mikroskopu. Kredit: Qingxiao Wang / UT Dallas.


Zásadní bylo, že Javey a spol. k vývoji svého tranzistoru použili uhlíkové nanotrubičky a sulfid molybdeničitý (MoS2). Tento sulfid je běžným mazadlem pro automobily, v poslední době ale prožívá dramatickou revoluci a odborníci v něm vidí nesmírně slibný materiál s mnoha možným aplikacemi ve vývoje LEDek, laserů, solárních článků nebo právě nanotranzistorů.

Schéma průlomového tranzistoru. Kredit: Sujay Desai / UC Berkeley.
Schéma průlomového tranzistoru. Kredit: Sujay Desai / UC Berkeley.

 

Podle prvního autora studie, kterým je Javeyho doktorand Sujay Desai, polovodičový průmysl dlouho předpokládal, že 5 nanometrů je doopravdy nejmenší možná velikost hradla tranzistoru. Takže ani nepřemýšleli o elektronice, která by byla menší. Jenže, jak se zdá, byli vedle. Javey a jeho tým dokázali, že stačí křemíkový čip vyměnit za čip ze sulfidu molybdeničitého, a pak lze zprovoznit tranzistor, jehož hradlo má 1 nanometr. Vtip je v tom, že křemíkové polovodiče s velikostí hradla pod 5 nanometrů postihuje kvantové tunelování a elektrony se díky němu dostanou, kam by neměly. Naproti tomu v polovodičích z MoS2 protékají těžší elektrony, které čelí většímu odporu, a k jejich usměrnění stačí významně menší hradlo. Výhodou polovodičů z MoS2 je i to, že z tohoto materiálu lze vytvořit vrstvy o tloušťce pouhých 0,65 nanometru. 

Ještě zbývá vyřešit celou řadu technických otázek. Vše ale nasvědčuje tomu, že tento nový tranzistor, a případně další podobné průlomové studie, ještě dlouho udrží při životě legendární Mooreův zákon, který v roce 1965 formuloval spoluzakladatel Intelu, chemik Gordon Moore. Podle tohoto zákona se počet tranzistorů na jednotce plochy při zachování stejné ceny zdvojnásobí zhruba jednou za 2 roky (původně to bylo 18 měsíců). Tenhle zákon už byl několikrát pohřben a sám Gordon v roce 1995 uvedl, že tohle nemůže pokračovat donekonečna. Nicméně, je rok 2016, Mooreův zákon je v plné síle a Moore, kterému je letos 87 let, se jenom směje.

Video:  Ali Javey, 4th Berkeley Symposium: 2D Semiconductor Heterojunctions: van der Waals for Tunnel



Literatura
Lawrence Berkeley National Laboratory 6. 10. 2016, Science 354: 99-102, Wikipedia (Moore's law).

Autor: Stanislav Mihulka
Datum: 11.10.2016
Tisk článku

Energetika člověka - Weidner Gisela
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 230 Kč
cena: 204 Kč
Energetika člověka
Weidner Gisela
Související články:

Parádně rychlý organický tenkovrstvý tranzistor     Autor: Stanislav Mihulka (15.01.2014)
Voda, sůl a membrána ze 3 vrstev atomů: Přichází osmotická energetika!     Autor: Stanislav Mihulka (14.07.2016)
Chemici vyřešili problém, který zdržoval nanotechnologickou revoluci     Autor: Stanislav Mihulka (06.09.2016)



Diskuze:

Pěkné, ale..

Alexandr Kostka,2016-10-11 20:07:31

Pokud vím, tak naprostou většinu hmoty procesoru netvoří tranzistory, ale vodivé dráhy, které je spojují. Tuším je to někde kolem 90%.. Takže zmenšení samotného tranzistoru zas tak tolik neřeší..

Odpovědět

Těžší elektrony

,2016-10-11 14:09:55

"v polovodičích z MoS2 protékají těžší elektrony" ?

Napřed jsem myslel, že to je chyba chyba překladu, ale i v anglickém článku jsem našel stejnou informaci. Klidová hmotnost elektronu je daná, takže to souvisí s rychlostí pohybu elektronů v různých materiálech ? Jakého - muselo by se jednat o nějaké super rychlé kmitání ? Můžete to někdo vysvětlit ?

Odpovědět


Re: Těžší elektrony

,2016-10-11 14:30:44

Možná si odpovím sám - zřejmě se jedná o efektivní hmotnost (zdánlivá hmotnost elektronu v krystalové mřížce) ?

Odpovědět


Re: Re: Těžší elektrony

Josef Hrncirik,2016-10-11 16:53:05

Největší je jejich optimizmus.
Protože tak malé hradlo nedokázali vyrobit a připojit, přehodili nanotrubku průměru 10 nm neuvedené délky přes neuvedenou šířku polovodiče MoS2 neuvedené délky. Tím sice dostali hradlo délky 10 nm, ale vše ostatní S, D, šířka G, délka i šířka MoS2 ... bylo mnohem větší než 10 nm.
O žádnou vysokou integraci a nejmenší tranzistor určitě nešlo.
Jen o nejkratší a nejširší hradlo.
Vývoj chce nejvyšší frekvence a minimální energii na přepnutí. Neuvedli.
(? s těžkými elektrony asi těžko!)

Odpovědět


Re: Re: Re: Těžší elektrony

Josef Hrncirik,2016-10-11 16:56:17

Tedy průměr trubky je skutečně jen 1 nm, ale ten v tom obr. sni není vidět a tak jsem viděl teprve 10 nm.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Těžší elektrony

Josef Hrncirik,2016-10-11 16:59:42

Barnum bledne závistí a sviští vysokou rotací.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Těžší elektrony

Josef Hrncirik,2016-10-11 17:07:50

Nedávno na Oslu bylo, že problém vyřešili chemici dělením vodivých a polodivých trubek, a že G jsou na trubkách (lepších než všechny čtvrtvodiče) a že délka G se dá úspěšně zkracovat.

Odpovědět


Re: Re: Těžší elektrony

Stanislav Florian,2016-10-11 19:45:34

http://www.aldebaran.cz/glossary/print.php?id=1336
Efektivní hmotnost se liší od klidové hmotnosti. Ovlivní ji elektrické a magnetické síly, také může záviset na směru v mřížce.

Odpovědět

Nevadí.

Jiří Pospíšil,2016-10-11 13:49:08

A vzhledem k tomu, že nejde o zákon, ale nejvýše pravidlo, tak to nevadí.
Empirické postřehy jsou přibližné z podstaty a docela jim škodí přesná formulace.

Odpovědět

Mooreův zákon přestal platit. Už dávno a už hodněkrát.

Pája Vašků,2016-10-11 11:53:25

Mooreova popularizační extrapolace (tzv. "zákon" nebo "pravidlo") zněla úplně jinak (1965): Počet tranzistorů se v jednom čipu zdvojnásobí každý rok (za 10 let se zvýší výkon tisícinásobně). Ještě v té době se znění upravilo na "18 měsíců". Později, když se začala předpověď rozcházet s realitou, se "zákon" změnil změnil na "2 roky" (1985). Dále se doplnil o předpověď že za 10 - 20 let zákone přestane platit (1995). Časem se upravila také definice, kde se někdy uvádí "jednotka plochy" a "zachování ceny", případně se klade důraz místo na počet tranzistorů na "dvojnásobný výkon". Zákon se také někdy definoval tak, že dochází co 18 měsíců k zdvojnásobení taktovací frekvence. Zkrátka jak se zrovna hodilo.

Tento "zákon" bude "platit" stále a vždycky, protože se jeho definice vždy přizpůsobí a ohne tak, aby pasovala na současnou realitu.

V současnosti už opět nestíhají a je to prý už jen zdvojnásobení (ale nevím čeho) po 2,5 letech a stále zpomaluje. Frekvence se zastavila, výkon jednotlivých jader už moc neroste (chvíli to řešil vyšší počet jader na čipu, ale už je to taky konečná (mimo speciální procesory)), tranzistory se zmenšují stále pomalejším tempem, mění se spíš architektura a důraz se klade na nízkou spotřebu (teplo). V součanosti se objevují tendence tvrdit, že podle tohoto "zákona" každých 18 měsíců klesne spotřeba jednotky plochy čipu na polovinu :D. "Zákon", nebo spíš extrapolovaná předpověď, byl především o vývoji a možnostech fotolitografie a zavedených inženýrských vývojářských cyklech v konkurenčním prostředí. Ale je stále populární... jeho popularita se totiž každé dva roky zdvojnásobí.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni