طور مهندسو كامبريدج ترانزستورات IGZO منخفضة الطاقة للغاية

طور باحثون من جامعة كامبريدج ترانزستورًا جديدًا مصنوعًا من أغشية رقيقة من الإنديوم والغاليوم وأكسيد الزنك ، والتي تعمل على الطاقة من البيئة. سيسمح التصميم الفريد للترانزستور للأجهزة بالعمل بدون بطارية لعدة أشهر أو حتى سنوات. تفتح هذه التكنولوجيا آفاق واسعة لتطوير الإلكترونيات يمكن ارتداؤها أو زرعها. قدم العلماء نتائج عملهم في مجلة Science في 21 أكتوبر 2016.

"سيؤدي ذلك إلى نموذج تصميم جديد لأجهزة استشعار منخفضة الطاقة للغاية للواجهات التي تعمل باللمس ومعالجة الإشارات التناظرية في الأجهزة القابلة للارتداء والزرع. قال أركيا ناثان ، أستاذ العلوم التقنية ، أحد مؤلفي الدراسة ، إن كل هذه العناصر ذات أهمية حاسمة لإنترنت الأشياء.

إن الإنديوم ، الغاليوم ، وأكسيد الزنك (IGZO) ، التي تشكل تطورًا جديدًا من مهندسي كامبريدج ، هي مادة شبه موصلة تستخدم لإنشاء ترانزستورات الأغشية الرقيقة. منذ عام 2012 ، تم استخدام هذه الترانزستورات في بعض شاشات العرض المسطحة والهواتف الذكية والأجهزة اللوحية. حتى الآن ، لم يتم إدخال الترانزستورات IGZO في الإنتاج الضخم بسبب المعدات باهظة الثمن وعملية طويلة إلى حد ما لإنشاء عينة واحدة. من الممكن أن تتطلب التقنية التي تم استخدامها لإنشاء عينة "كامبريدج" تكلفة أقل.

تعمل ترانزستورات IGZO كجهاز كمبيوتر في وضع السكون. يتم تشغيل الترانزستور الجديد بواسطة أصغر تيارات التسرب بالقرب من الحالة خارج. هذا التسرب عند نقطة التلامس بين مكونات المعدن وأشباه الموصلات للترانزستور ، ما يسمى " حاجز شوتكي " ، هو خاصية غير مرغوب فيها. هذا الجزء الصغير من التيار يمكن مقارنته بكيفية تسرب الماء من صنبور معيب ، وهو شائع في جميع الترانزستورات. تمكن العلماء للمرة الأولى من تحويل هذا العيب لصالحه واستخدامه وظيفيا. تفتح هذه الميزة للترانزستورات الجديدة إمكانيات جديدة لتصميم نظام إنترنت الأشياء.

يقول الأستاذ ناثان: "لقد تحدىنا الفهم المشترك لما يجب أن يكون عليه الترانزستور". "لقد وجدنا أن حاجز شوتكي ، الذي يحاول معظم المهندسين تجنبه ، يتميز في الواقع بخصائص مثالية للأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء أو القابلة للزرع والتي تهمنا لمراقبة صحتنا.

يمكن إنتاج الترانزستورات في درجات حرارة منخفضة وطباعتها على أي مادة تقريبًا: من الزجاج والبلاستيك إلى النسيج والورق. يحل التصميم الجديد بمقدار النصف إحدى المشاكل الرئيسية التي تعوق تطوير ترانزستورات الطاقة المنخفضة للغاية ، وهي القدرة على إنتاجها بأحجام صغيرة جدًا. عندما تصبح الترانزستورات أصغر ، يبدأ اثنان من أقطابهما في التأثير على سلوك بعضهما البعض ، مما يعني أن الترانزستورات الأصغر من حجم معين لن تعمل كما نرغب. من خلال تغيير تصميم الترانزستور ، تمكن الباحثون من كامبريدج من استخدام حواجز شوتكي بحيث تظل الأقطاب الكهربائية مستقلة عن بعضها البعض. لذلك ، في المستقبل القريب سيكون من الممكن إنتاج ترانزستورات ذات حجم صغير جدًا.

هذا تصميم ترانزستور أصلي. هذا النوع من إمدادات الطاقة المنخفضة للغاية هو شرط أساسي لتطوير أنواع مختلفة من الأجهزة الجديدة ، حيث تكون وظيفة "الذكاء" في جوهرها مهمة وليست سرعة. أصبحت الإلكترونيات المستقلة بالكامل في مثل هذه الأجهزة اليوم أكثر واقعية. وقال جيهان أماراتونجا ، أستاذ بقسم التطوير ، إن بإمكانهم العمل على الطاقة الخلفية المتلقاة من البيئة ، والتي ستزيد من مدة عملياتهم.

يسمح لك تصميم الترانزستور بتضخيم الإشارة. جهد التشغيل للترانزستور أقل من فولت ، مع استهلاك طاقة أقل من مليار من الواط. هذا الاستهلاك المنخفض للطاقة يجعلها الأكثر ملاءمة للتطبيقات التي تكون فيها الوظيفة والمتانة أكثر أهمية من السرعة. وهو في الواقع يكمن في فكرة إنترنت الأشياء.

قال الدكتور صونسيك لي ، المؤلف الرئيسي للدراسة: "إذا استطعنا استخلاص الطاقة من بطارية AA عادية بناءً على هذا التصميم ، فقد تعمل لمدة مليار سنة". "إن استخدام حاجز شوتكي يمنع الأقطاب الكهربائية من التداخل مع بعضها البعض لتضخيم سعة الإشارة حتى عندما يكون الترانزستور مغلقًا تقريبًا."

يحاول العلم الروسي مواكبة السباق من أجل ترانزستور طاقة منخفض للغاية. قبل ستة أشهر، والمهندسين الروس، جنبا إلى جنب مع زملاء من اليابان ذكرتمفهوم الجرافين الترانزستور. يعتمد تصميمه على استخدام الجرافين ثنائي الطبقات. وفقا للباحثين ، سيكون الترانزستور المصنوع من هذه المواد قادرًا على العمل بجهد منخفض (0.5 فولت) وعلى ترددات عالية (حتى 100 جيجا هرتز). تم التوصل إلى مثل هذه الاستنتاجات على أساس الحسابات - حتى الآن تم تطوير طراز الجهاز فقط.

بالإضافة إلى العمل على مكونات أجهزة إنترنت الأشياء ، يهتم الباحثون في جامعة كامبريدج بتطوير الإلكترونيات القابلة للزرع. قبل عامين ، طوروا عضلات اصطناعية يمكن أن تحاكي الانقباضات الطبيعية. وهي مصنوعة من البوليمرات ، والتي يمكن أن تتغير من حيث الحجم والشكل تحت تأثير الإشارة الكهربائية. باستخدام عدد من الآليات والمنبهات الفسيولوجية ، يمكن استنساخ الحركات القريبة من الطبيعية في المواد الاصطناعية.

Source: https://habr.com/ru/post/ar398593/