Новая концепция устройства открывает путь к компактным высокопроизводительным транзисторам со встроенной памятью.
Транзисторы, основа современной электроники, обычно изготавливаются из кремния. Этот полупроводник может контролировать поток электричества в цепи. Однако у кремния есть фундаментальные физические ограничения, которые мешают сделать транзистор более компактным и энергоэффективным.
Исследователи из MIT заменили кремний магнитным полупроводником, создав магнитный транзистор, который может обеспечить меньшие размеры, более высокую скорость работы и энергоэффективность схем.
Особенности нового транзистора
* Материал: исследователи использовали новый магнитный материал и процесс оптимизации, который уменьшает дефекты материала и повышает производительность транзистора.
* Уникальные свойства: уникальные магнитные свойства материала позволяют создавать транзисторы со встроенной памятью, что упрощает проектирование схем и открывает новые возможности для высокопроизводительной электроники.
* Авторы: в работе приняли участие аспиранты и научные сотрудники различных факультетов MIT, а также учёные из Университета химии и технологии в Праге.
Преодоление ограничений
В электронном устройстве транзисторы на основе кремниевых полупроводников действуют как крошечные выключатели света, которые включают и выключают цепь или усиливают слабые сигналы в системе связи. Но фундаментальное физическое ограничение кремниевых полупроводников не позволяет транзистору работать при напряжении ниже определённого уровня, что снижает его энергоэффективность.
Чтобы повысить эффективность электроники, исследователи десятилетиями работали над созданием магнитных транзисторов, использующих спин электрона для управления потоком электричества. Спин электрона — это фундаментальное свойство, которое позволяет электронам вести себя как крошечные магниты.
Пока учёные в основном ограничивались использованием определённых магнитных материалов, которым не хватало благоприятных электронных свойств полупроводников, что ограничивало производительность устройств.
«В этой работе мы объединяем магнетизм и физику полупроводников, чтобы реализовать полезные спинтронные устройства», — говорит Лю.
Исследователи заменили кремний в поверхностном слое транзистора бромидом хрома и серы, двумерным материалом, который действует как магнитный полупроводник.
Благодаря структуре материала исследователи могут очень чисто переключаться между двумя магнитными состояниями. Это делает его идеальным для использования в транзисторе, который плавно переключается между состояниями «включено» и «выключено».
«Одной из самых больших проблем, с которыми мы столкнулись, был поиск подходящего материала. Мы перепробовали множество других материалов, которые не работали», — говорит Чоу.
Они обнаружили, что изменение магнитных состояний изменяет электронные свойства материала, обеспечивая работу при низкой энергии. И в отличие от многих других двумерных материалов, бромид хрома и серы стабилен на воздухе.
Использование магнетизма
Отсутствие загрязнений позволяет их устройству превосходить существующие магнитные транзисторы. Большинство других могут создавать только слабый магнитный эффект, изменяя поток тока на несколько процентов или меньше. Их новый транзистор может переключать или усиливать электрический ток в 10 раз.
Они используют внешнее магнитное поле для изменения магнитного состояния материала, переключая транзистор с гораздо меньшими затратами энергии, чем обычно требуется.
Материал также позволяет им управлять магнитными состояниями с помощью электрического тока. Это важно, потому что инженеры не могут применять магнитные поля к отдельным транзисторам в электронном устройстве. Им нужно управлять каждым из них электрически.
Магнитные свойства материала также могут позволить создавать транзисторы со встроенной памятью, упрощая проектирование логических схем или схем памяти.
Типичное запоминающее устройство имеет магнитную ячейку для хранения информации и транзистор для её считывания. Их метод может объединить оба элемента в одном магнитном транзисторе.
«Теперь транзисторы не только включаются и выключаются, они ещё и запоминают информацию. И поскольку мы можем переключать транзистор с большей амплитудой, сигнал становится намного сильнее, поэтому мы можем считывать информацию быстрее и гораздо более надёжным способом», — говорит Лю.
Исследователи планируют продолжить изучение использования электрического тока для управления устройством. Они также работают над тем, чтобы сделать свой метод масштабируемым, чтобы можно было изготавливать массивы транзисторов.
Это исследование частично финансировалось Корпорацией полупроводниковых исследований, Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA), Национальным научным фондом США (NSF), Министерством энергетики США, Управлением исследований армии США и Министерством образования, молодёжи и спорта Чехии. Работа частично проводилась на объектах MIT.nano.
Статья: «Большое магнитосопротивление в электрически настраиваемом ван-дер-ваальсовом антиферромагнетике»