ترانزیستور جدید مبتنی بر بیسموت می‌تواند طراحی تراشه‌ها را متحول کند و با دور زدن محدودیت‌های سیلیکون، بازدهی بالاتری را ارائه دهد.

گروهی از محققان دانشگاه پکن ادعا می‌کنند که پیشرفتی نوین را در فناوری تراشه‌ها رقم زده‌اند و به طور بالقوه رقابت نیمه‌رساناها را تغییر داده‌اند.

به نقل از آی‌ای، گفته می‌شود که ترانزیستور دو بُعدی جدید آنها 40 درصد سریع‌تر از جدیدترین تراشه‌های سیلیکونی 3 نانومتری شرکت اینتل و TSMC است، آن هم در حالی که 10 درصد انرژی کمتری مصرف می‌کند.

محققان چینی می‌گویند این نوآوری می‌تواند به چین اجازه دهد تا چالش‌های تولید تراشه‌های مبتنی بر سیلیکون را به طور کامل دور بزند.

طبق بیانیه رسمی که به تازگی در وب‌سایت این دانشگاه منتشر شده است، این تراشه سریع‌ترین و کارآمدترین ترانزیستور جهان است.

تیم تحقیقاتی به رهبری پروفسور پنگ هایلین(Peng Hailin) معتقد است رویکرد آنها نشان دهنده یک تغییر اساسی در فناوری نیمه‌رساناها است.

پنگ در بیانیه‌ای گفت: اگر نوآوری‌های تراشه‌های مبتنی بر مواد موجود به ‌عنوان یک «میان‌بُر» در نظر گرفته شود، پس توسعه ما از ترانزیستورهای مبتنی بر مواد دو بعدی شبیه به «تغییر خط» است.

غلبه بر موانع نیمه‌رساناها

پیشرفت این تیم چینی حول یک ترانزیستور مبتنی بر بیسموت می‌گردد که از پیشرفته‌ترین تراشه های تجاری شرکت‌های اینتل، TSMC، سامسونگ و مرکز میکروالکترونیک بین دانشگاهی بلژیک بهتر عمل می‌کند.

این طراحی جدید برخلاف ترانزیستورهای سنتی مبتنی بر سیلیکون که با کوچک‌سازی و بهره‌وری انرژی در مقیاس‌های بسیار کوچک مبارزه می‌کنند، راه‌حلی را بدون آن محدودیت‌ها ارائه می‌دهد.

به گفته پنگ، در حالی که تحریم‌های آمریکا دسترسی چین به پیشرفته‌ترین ترانزیستورهای مبتنی بر سیلیکون را محدود کرده است، این محدودیت‌ها محققان چینی را به بررسی راه‌حل‌های جایگزین سوق داده است.

وی افزود: در حالی که این مسیر از روی ناچاری به دلیل تحریم‌های کنونی زاده شده است، اما محققان را نیز مجبور می‌کند از دیدگاه‌های تازه راه‌حل‌هایی بیابند.

این مطالعه توضیح می‌دهد که چگونه این تیم یک ترانزیستور اثر میدانی(GAAFET) با استفاده از مواد مبتنی بر بیسموت را توسعه داده است. این طراحی یک انحراف قابل توجه از ساختار ترانزیستور است که از زمانی که اینتل آن را در سال 2011 تجاری کرد، یک استاندارد صنعتی بوده است.

آغاز عصر جدیدی برای فناوری تراشه

محدودیت‌های تراشه‌های مبتنی بر سیلیکون به طور فزاینده‌ای آشکار شده است، زیرا صنعت تلاش می‌کند چگالی ادغام را به بیش از 3 نانومتر برساند.

ساختار جدید چینی‌ها نیاز به موارد مورد استفاده در طراحی‌های تراشه‌ها را از بین می‌برد و سطح تماس بین دروازه و کانال را افزایش می‌دهد.

طبق گزارش رسانه چینی «ساوث چاینا مورنینگ پست»، محققان این تغییر را با متصل کردن ساختمان‌های بلند با پل‌ها مقایسه کردند که حرکت الکترون‌ها را آسان‌تر کرده است.

محققان برای بهینه‌سازی بیشتر عملکرد تراشه، به مواد نیمه‌رسانای دو بُعدی روی آوردند. این مواد دارای ضخامت اتمی یکنواخت و تحرک بالاتر در مقایسه با سیلیکون هستند که آنها را جایگزین مناسبی برای تراشه‌های نسل بعدی می‌کند. با این حال، تلاش‌های گذشته برای استفاده از مواد دو بعدی در ترانزیستورها با چالش‌های ساختاری مواجه شد که کارایی آنها را محدود کرد.

محققان چینی با مهندسی مواد مبتنی بر بیسموت خود، به ویژه Bi2O2Se و Bi2SeO5 که به ترتیب به عنوان مواد نیمه‌رسانا و اکسید دی‌الکتریک با کیفیت عمل می‌کنند، بر این موانع غلبه کردند. ثابت دی‌الکتریک بالای این مواد باعث کاهش اتلاف انرژی، به حداقل رساندن ولتاژ مورد نیاز و افزایش قدرت محاسباتی در عین کاهش مصرف انرژی می‌شود.

محققان ترانزیستورهای آزمایشی خود را با استفاده از پلت‌فرم پردازش با دقت بالا ساختند.

نتایج با استفاده از محاسبات تئوری تابعی چگالی(DFT) تأیید شد که تأیید می‌کند رابط مواد Bi2O2Se/Bi2SeO5 دارای نقص‌های کمتر و جریان الکترون نرم‌تری نسبت به رابط‌های نیمه‌رسانا-اکسید موجود است.

پنگ توضیح داد: این امر، پراکندگی الکترون و از دست دادن جریان را کاهش می‌دهد و به الکترون‌ها اجازه می‌دهد تقریباً بدون هیچ مقاومتی مانند آب در حال حرکت در یک لوله صاف، جریان داشته باشند.

با وجود ترانزیستورهای مبتنی بر این فناوری که قادرند 1.4 برابر سریع‌تر از پیشرفته‌ترین تراشه‌های مبتنی بر سیلیکون با 90 درصد مصرف انرژی خود کار کنند، تیم چینی اکنون روی افزایش تولید این تراشه کار می‌کند. آنها قبلاً واحدهای منطقی کوچکی را با استفاده از ترانزیستورهای جدید ساخته‌اند که افزایش ولتاژ بالا را در ولتاژهای عملیاتی بسیار پایین نشان می‌دهد.

پنگ در مقاله تحقیقاتی تیم می‌نویسد: این کار نشان می‌دهد که GAAFET‌های دو بعدی عملکرد و کارایی انرژی قابل مقایسه‌ای را با ترانزیستورهای مبتنی بر سیلیکون تجاری نشان می‌دهند که آنها را به یک نامزد امیدوارکننده برای این گره بعدی فناوری تبدیل می‌کند.

این مطالعه در مجله Nature Materials منتشر شده است.