Магнито-электрический транзистор на базе графена

Американские физики недавно объявили о значительном прорыве в микроэлектронике. Они создали действительно инновационное переключающее устройство под названием «магнито-электрический транзистор», который потребляет на 5% меньше электроэнергии, чем обычный полупроводниковый транзистор, однако, с его помощью число транзисторов в устройствах хранения данных может быть снижено на 75%.

графен
Атомарный слой графена (серый цвет) и оксид хрома (голубой цвет) в новом транзисторе с переключением спина электронов (красные и зелёные стрелки) вместо переключения напряжения. Изображение: Университет Буффало (University of Buffalo)/ издание Advanced Materials.

Полупроводниковый (полевый) транзистор состоит из трех полупроводниковых областей и выводов от них: «истока» (source), «стока» (drain) и «затвора» (gate), в более ранних моделях биполярных транзисторов – «эмиттер», коллектор», «база» соответственно. Поток электронов через транзистор проходит от истока к стоку и может регулироваться напряжением на затворе (или количеством заряда в нём). Наличие или отсутствие заряда в затворе обозначается как «0» или «1», то есть бинарный бит, как элементарная единица информации. Любые вычисления, или обработка информации в компьютере, по сути, сводятся к упорядоченному изменению заряда на затворах транзисторов.

Транзисторы были изобретены в 1947 году и с тех пор принцип их работы, в общем не менялся, если не считать изменения технологий изготовления, позволяющих достигать всё большей плотности размещения на кристалле сипа в микросхеме. Эта плотность в целом изменяется по т.н. называемому «закону Мура» (Moore’s Law), в котором подмечена закономерность, что плотность упаковки транзисторов на чипе удваивается примерно каждые два года.

Закон Мура, в общем, выполняется в течение последних 50 лет, но это не значит, что так будет продолжаться бесконечно, поскольку рано или поздно будут играть роль атомарные ограничения. Учёные говорят, что размеры классического транзистора не могут быть менее 25 атомов кремня. Кроме того, с уменьшением размеров будет расти удельное тепловыделение, что может привести в буквальном смысле к расплавлению чипа при работе транзисторов на нём.

Поэтому, неудивительно, что наука ищет новые пути и принципы создания элементарных переключательных устройств (транзисторов). Так был создан магнито-электрический транзистор.

Он работает следующим образом. В нём использовано фундаментальное свойство электрона, называемое спином (spin). По-английски это значит «кручение», «закручивание». Электрон не может быть представлен в в иде физического тела, у него есть свойства как частицы (условно – небольшого шарика или волчка), так и волны. Если считать электрон волчком, то есго спин – это направление кручения. Ориентация спина элементарной частицы, в свою очередь, может регулироваться при помощи магнитного поля.

Для исследований в Университете Буффало был взят слой графена, то есть, тонкого листа из углерода, имеющего толщину в один атом углерода. В число его свойств кроме прочего входит то, что при пролёте электронов через атомарный слой графена он может изменять ориентацию их спина, что сохраняется на довольно большом расстоянии после пролёта слоя.  Чтобы достичь эффекта переключения, графен должен быть скомпонован с подходящим материалом, например, оксидом хрома, магнито-электрическим материалом, который позволяет менять спины электронов при приложении очень малого электрического напряжения.

При приложении положительного напряжения, спины всех электроном направляются условно «вверх». Отрицательное напряжение направляет спины вниз. Таки образом, можно получать электрические сигналы 1 или 0.

В результате, был получен транзистор, который не только потребляет на 5% меньше электроэнергии, чем обычный (биполярный или полевый), но также позволяет получить гораздо более эффективное устройство памяти для компьютера, которое может работать в качестве оперативного запоминающего устройства ОЗУ (RAM), которое, вместе с процессором (CPU) является основой любого вычислительного устройства. Причём, такое устройство памяти позволяет прерывать работу и выключать устройство, не заботясь о сохранении данных и закрытии программ – при следующем включении всё будет находиться ровно на том же месте.

Такого рода транзисторы позволят произвести настоящую революцию на только в чипах для компьютеров, но вообще в любых электронных устройствах, столько возможностей открывает это изобретение.

Научную статью, с описанием данного изобретения, можно посмотреть здесь.

Об авторе Алексей Шалагинов

Независимый эксперт
Запись опубликована в рубрике Технологии с метками , , , , . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.