Wir sprechen über Alternativen für Silizium.
/ Foto Laura Ockel UnsplashMoores Gesetz, Dennards Gesetz und Kumis Regel verlieren an Relevanz. Einer der Gründe - Siliziumtransistoren nähern sich ihrer technologischen Grenze. Wir haben dieses Thema
in einem früheren Beitrag ausführlich besprochen. Heute sprechen wir über Materialien, die in Zukunft Silizium ersetzen und die Gültigkeit der drei Gesetze verlängern können, was bedeutet, die Effizienz von Prozessoren und Computersystemen, die sie verwenden (einschließlich Server in Rechenzentren), zu erhöhen.
Kohlenstoffnanoröhren
Kohlenstoffnanoröhren sind Zylinder, deren Wände aus einer einatomigen Kohlenstoffschicht bestehen. Der Radius von Kohlenstoffatomen ist kleiner als der von Silizium, daher weisen Transistoren auf Nanoröhrenbasis eine größere Elektronenmobilität und Stromdichte auf. Infolgedessen nimmt die Geschwindigkeit des Transistors zu und sein Stromverbrauch nimmt ab. Laut Ingenieuren der University of Wisconsin in Madison hat sich die Produktivität verfünffacht.
Die Tatsache, dass Kohlenstoffnanoröhren bessere Eigenschaften als Silizium aufweisen, ist seit langem bekannt - die ersten derartigen Transistoren erschienen vor
mehr als 20 Jahren . Erst kürzlich gelang es den Wissenschaftlern, eine Reihe von technologischen Einschränkungen zu umgehen, um ein ausreichend effektives Gerät zu schaffen. Vor drei Jahren stellten Physiker der oben genannten Universität in Wisconsin einen Prototyp eines Transistors auf Nanoröhrenbasis vor, der moderne Siliziumbauelemente übertraf.
Eine der Anwendungen von Geräten auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren ist die flexible Elektronik. Bisher ist die Technologie jedoch nicht über das Labor hinausgegangen, und von einer Masseneinführung ist keine Rede.
Graphen-Nanobänder
Sie sind schmale
Graphenstreifen mit einer Breite von mehreren zehn Nanometern und
gelten als eines der Hauptmaterialien für die Herstellung von Transistoren der Zukunft. Die Haupteigenschaft von Graphenband ist die Fähigkeit, den durch es fließenden Strom unter Verwendung eines Magnetfelds zu beschleunigen. Gleichzeitig hat Graphen
eine 250-mal höhere elektrische Leitfähigkeit als Silizium.
Berichten zufolge können Prozessoren, die auf Graphen-Transistoren basieren, bei Frequenzen nahe Terahertz arbeiten. Während die Betriebsfrequenz moderner Chips im Bereich von 4-5 Gigahertz liegt.
Die ersten Prototypen von Graphen-Transistoren
erschienen vor zehn Jahren . Seitdem haben Ingenieure
versucht, die Prozesse der "Montage" von darauf basierenden Geräten
zu optimieren . Zuletzt wurden die ersten Ergebnisse erzielt - ein Entwicklerteam der University of Cambridge
kündigte im März die Einführung der
ersten Graphen-Mikroschaltungen an . Ingenieure sagen, dass das neue Gerät die Arbeit elektronischer Geräte um das Zehnfache beschleunigen kann.
Hafniumdioxid und Selenid
Hafniumdioxid wird
seit 2007 zur Herstellung von Mikrochips verwendet. Machen Sie daraus eine Isolierschicht auf einem Transistorgatter. Heute schlagen die Ingenieure jedoch vor, den Betrieb von Siliziumtransistoren damit zu optimieren.
/ Foto Fritzchens Fritz PDAnfang letzten Jahres stellten Wissenschaftler aus Stanford
fest, dass bei einer besonderen Reorganisation der Kristallstruktur von Hafniumdioxid die
elektrische Konstante (die für die Fähigkeit des Mediums verantwortlich ist, ein elektrisches Feld durchzulassen) um mehr als das Vierfache zunehmen würde. Wenn Sie solches Material beim Erstellen von Transistorgates verwenden, können Sie den Effekt des
Tunneleffekts erheblich reduzieren.
Amerikanische Wissenschaftler
haben auch einen Weg gefunden, die Größe moderner Transistoren mit Hafnium- und Zirkoniumseleniden
zu reduzieren. Sie können anstelle von Siliziumoxid als wirksamer Isolator für Transistoren verwendet werden. Selenide haben eine signifikant geringere Dicke (drei Atome), während eine gute Bandlücke beibehalten wird. Dies ist eine Anzeige, die den Stromverbrauch eines Transistors bestimmt. Ingenieure haben es bereits
geschafft, mehrere funktionierende Prototypen von Geräten auf der Basis von Hafnium- und Zirkoniumseleniden
zu erstellen .
Jetzt müssen Ingenieure das Problem mit dem Anschluss solcher Transistoren lösen - um geeignete Kontakte für sie kleiner Größe zu entwickeln. Erst danach wird es möglich sein, über Massenproduktion zu sprechen.
Molybdändisulfid
Molybdänsulfid an sich ist ein ziemlich schlechter Halbleiter, dessen Eigenschaften Silizium unterlegen sind. Eine Gruppe von Physikern der Universität Notre Dame stellte jedoch fest, dass dünne Molybdänfilme (ein Atom dick) einzigartige Eigenschaften aufweisen - darauf basierende Transistoren leiten im ausgeschalteten Zustand keinen Strom und benötigen zum Schalten wenig Energie. Dadurch können sie bei niedrigen Spannungen arbeiten.
Der Prototyp des Molybdäntransistors wurde im Labor entwickelt. Lawrence in Berkeley im Jahr 2016. Die Breite des Gerätes beträgt nur einen Nanometer. Ingenieure sagen, dass solche Transistoren dazu beitragen werden, Moores Gesetz zu erweitern.
Ein Transistor auf Basis von Molybdändisulfid wurde im vergangenen Jahr
von Ingenieuren einer südkoreanischen Universität vorgestellt. Es wird erwartet, dass die Technologie in Steuerschaltungen von OLED-Displays Anwendung findet. Es besteht jedoch keine Notwendigkeit, über die Massenproduktion solcher Transistoren zu sprechen.
Trotzdem
argumentieren Forscher aus Stanford
, dass die moderne Infrastruktur für die Herstellung von Transistoren so umstrukturiert werden kann, dass sie mit minimalen Kosten mit Molybdänvorrichtungen funktioniert. Wird es möglich sein, solche Projekte umzusetzen, bleibt in Zukunft abzuwarten.
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