Ballistisk transistor kan nå mange terahertz

En ny type transistor er under utvikling, tusen ganger raskere enn dem i dagens PC-er.

En gruppe forskere ved University of Rochester har fått 1,1 millioner dollar fra National Science Foundation for å videreutvikle et spesielt lovende prosjekt innen halvlederteknologi. De skal fullføre utviklingen av en prototyp på ballistisk transistor, på engelsk «ballistic deflection transistor».

Prosjektet bygger på en idé til en av de viderekomne studentene ved universitetet, Quentin Diduck. Det går ut på å styre elektroner på en helt ny måte, slik at strømstyrken gjennom transistoren kan reduseres betraktelig, og energien som brukes til å styre elektronenes bane gjennom transistoren også reduseres.

Skissen nedenfor viser prinsippet: Elektronet kommer nedenfra og passerer et svakt elektrisk felt som så vidt får den til å bøye mot høyre. Det innebærer at den treffer trekanten i midten på høyre side. Den spretter av trekanten, og kommer ut på høyre siden av transistoren.

Hvis det elektriske feltet har motsatt polaritet, bøyes elektronet mot venstre, og spretter ut på transistorens venstre side.

Dermed har man en måte å framstille binærtallene: Spretter elektronet til høyre, representerer den «1». Spretter den til venstre, representerer den «0».

Dette er en helt annen måte å representere binær informasjon på enn i dagens transistorer, der informasjonen ligger i et kapasitanslag. Har kondensatoren fanget opp elektroner, leses en «1», når elektronene fjernes, leses en «0». Det er som å operere med bøtter av elektroner som stadig må tømmes og fylles, framfor det ene sprettende elektronet i den «ballistiske» konstruksjonen. Det koster mye energi å tømme og fylle bøtter med elektroner. Det koster praktisk talt ingenting å bøye av et elektron slik at den treffer trekanten på den riktige siden.

Ifølge Diduck er den ballistiske transistoren fjerde generasjon innen binærelektronikk, etter releer, vakuumrør og dagens transistorer.

Det er ikke bare varmeutvikling og strømforbruk som reduseres drastisk. Også problemer med strømlekkasjer og støy overvinnes dersom man får til denne konstruksjonen.

University of Rochester har satt sammen en tverrfaglig gruppe som skal fullføre arbeidet med prototypen. Den ledes av professor Marc Feldman i datakonstruksjon, og omfatter, i tillegg til Diduck, eksperter innen teoretisk fysikk, kretsdesign og datamaskinerarkitektur.

En stor utfordring for ballistisk elektronikk, er å finne et hensiktsmessig materiale der elektronet kan forventes å få en fri bane, det vil si at det fortsetter rett fram uten å støte på andre partikler i materialet.

I det vanligste halvledermateriale, silisium, er den frie banen rundt 10 nanometer. Å konstruere en ballistisk transistor med silisium innebærer følgelig å redusere de ulike delene av transistoren til langt under 10 nanometer. Med dagens teknologi, er det umulig.

Løsningen for å skape den nødvendige «2D elektrongass» er mer eksotiske halvledermaterialer, indium-gallium-arsenid og indium-fosfid, der den frie banen er rundt 220 nanometer. Her holder det med en 70 nanometers prosess for å utforme komponentene, noe forskergruppen har fått til.

Redegjørelsen fra University of Rochester om forskningen rundt ballistisk transistor sier ingenting om eventuelle liknende prosjekter i andre miljøer. Det gjør derimot en artikkel i MIT Technological Review.

Der forteller Stan Williams, direktør for kvantefaglig forskning ved HP, at HP-forskere arbeidet med en tilsvarende ide for mange år siden, man forlot den fordi de fant at transistoren bare ville virke ved svært lave temperaturer. Forskerne i Rochester mener at de vil kunne nå klokkefrekvenser på mange terahertz, i romtemperatur. Williams mener at da må de være inne på noe vesentlig.

De raskeste kretsene i dag kan kjøres i romtemperatur i opptil 200 GHz. Kretser nedkjølt til nærmere det absolutte nullpunkt har blitt kjørt i opptil 500 GHz. Intels raskeste mikroprosessorer når rundt 3 GHz. Den ballistiske transistoren åpner derfor for PC-er rundt tusen ganger så raske som dagens.

MIT-artikkelen nevner også at professor Aimin Song ved University of Manchester har brukt en tankegang tilsvarende den til den ballistiske transistoren, til å lage en likeretter, altså en innretning som konverterer vekselstrøm til likestrøm. Song sier til MIT at han tror prototypen til Rochester vil virke. Han peker på at et problem kan være de svært dyre materialene som er valgt. Han sier gallium-arsenid kan bli enklere å sette ut i praktisk produksjon. Ulempen er at gallium-arsenid har en fri bane på rundt 150 nanometer. Det vil kreve en produksjonsprosess ned mot det minste man makter i dag.

Forskerne i Rochester framhever i sin redegjørelse at det er et stykke igjen til en fullverdig prototyp, og at det er videre et svært langt stykke derfra til noe som kan få praktiske konsekvenser. Blant problemene som må overvinnes er at en terahertz transistor krever en terahertz oscillator, og noe slikt er ennå ikke utviklet.

Til toppen