Транзисторы, строительные блоки современной электроники, обычно изготавливаются из кремния. Этот полупроводниковый материал может контролировать поток электричества в цепи. Однако у кремния есть фундаментальные физические ограничения, которые ограничивают его компактность и энергоэффективность.
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) заменили кремний на магнитный полупроводник, создав магнитный транзистор, который может обеспечить меньшие размеры, более высокую скорость и энергоэффективность схем.
Особенности разработки
Команда использовала новый магнитный материал и процесс оптимизации, который уменьшает дефекты материала, что повышает производительность транзистора. Уникальные магнитные свойства материала также позволяют создавать транзисторы со встроенной памятью, что упростит проектирование схем и откроет новые возможности для высокопроизводительной электроники.
Преимущества магнитного транзистора
«Люди знают о магнитах тысячи лет, но существует очень мало способов использовать магнетизм в электронике. Мы показали новый способ эффективного использования магнетизма, который открывает большие возможности для будущих исследований и применений», — говорит Чанг-Тао Чоу, аспирант MIT в области электротехники и компьютерных наук (EECS) и физики, соавтор статьи.
Процесс разработки
Исследователи заменили кремний в поверхностном слое транзистора на бромид хрома и серы, двухмерный материал, 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 «включено» и «выключено».
«Одной из самых больших проблем, с которыми мы столкнулись, был поиск подходящего материала. Мы пробовали много других материалов, которые не работали», — говорит Чоу.
Они обнаружили, что изменение этих магнитных состояний изменяет электронные свойства материала, обеспечивая работу при низкой энергии. И в отличие от многих других двумерных материалов, бромид хрома и серы остаётся стабильным на воздухе.
Заключение
Магнитный транзистор, разработанный исследователями, может переключать или усиливать электрический ток в 10 раз сильнее по сравнению с другими магнитными транзисторами. Они используют внешнее магнитное поле для изменения магнитного состояния материала, переключая транзистор с гораздо меньшими затратами энергии, чем обычно требуется.
Материал также позволяет им контролировать магнитные состояния с помощью электрического тока. Это важно, поскольку инженеры не могут применять магнитные поля к отдельным транзисторам в электронном устройстве. Они должны управлять каждым из них электрически.
Магнитные свойства материала могут также позволить создавать транзисторы со встроенной памятью, упрощая проектирование логических схем или схем памяти.
transistors with built-in memory, which would simplify circuit design and unlock new applications for high-performance electronics.”,”\”People have known about magnets for thousands of years, but there are very limited ways to incorporate magnetism into electronics. We have shown a new way to efficiently utilize magnetism that opens up a lot of possibilities for future applications and research,\” says Chung-Tao Chou, an MIT graduate student in the departments of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) and Physics, and co-lead author of a paper on this advance.”,”Chou is joined on the paper by co-lead author Eugene Park, a graduate student in the Department of Materials Science and Engineering (DMSE); Julian Klein, a DMSE research scientist; Josep Ingla-Aynes, a postdoc in the MIT Plasma Science and Fusion Center; Jagadeesh S. Moodera, a senior research scientist in the Department of Physics; and senior authors Frances Ross, TDK Professor in DMSE; and Luqiao Liu, an associate professor in EECS, and a member of the Research Laboratory of Electronics; as well as others at the University of Chemistry and Technology in Prague.”,”Their paper is published in Physical Review Letters.”,”In an electronic device, silicon semiconductor transistors act like tiny light switches that turn a circuit on and off, or amplify weak signals in a communication system. They do this using a small input voltage.”,”But a fundamental physical limit of silicon semiconductors prevents a transistor from operating below a certain voltage, which hinders its energy efficiency.”,”To make more efficient electronics, researchers have spent decades working toward magnetic transistors that utilize electron spin to control the flow of electricity. Electron spin is a fundamental property that enables electrons to behave like tiny magnets.”,”So far, scientists have mostly been limited to using certain magnetic materials. These lack the favorable electronic properties of semiconductors, constraining device performance.”,”\”In this work, we combine magnetism and semiconductor physics to realize useful spintronic devices,\” Liu says.”,”The researchers replace the silicon in the surface layer of a transistor with chromium sulfur bromide, a two-dimensional material that acts as a magnetic semiconductor.”,”Due to the material’s structure, researchers can switch between two magnetic states very cleanly. This makes it ideal for use in a transistor that smoothly switches between \”on\” and \”off.\””,”\”One of the biggest challenges we faced was finding the right material. We tried many other materials that didn’t work,\” Chou says.”,”They discovered that changing these magnetic states modifies the material’s electronic properties, enabling low-energy operation. And unlike many other 2D materials, chromium sulfur bromide remains stable in air.”,”To make a transistor, the researchers pattern electrodes onto a silicon substrate, then carefully align and transfer the 2D material on top. They use tape to pick up a tiny piece of material, only a few tens of nanometers thick, and place it onto the substrate.”,”\”A lot of researchers will use solvents or glue to do the transfer, but transistors require a very clean surface. We eliminate all those risks by simplifying this step,\” Chou says.”,”This lack of contamination enables their device to outperform existing magnetic transistors. Most others can only create a weak magnetic effect, changing the flow of current by a few percent or less. Their new transistor can switch or amplify the electric current by a factor of 10.”,”They use an external magnetic field to change the magnetic state of the material, switching the transistor using significantly less energy than would usually be required.”,”The material also allows them to control the magnetic states with electric current. This is important because engineers cannot apply magnetic fields to individual transistors in an electronic device. They need to control each one electrically.”,”The material’s magnetic properties could also enable transistors with built-in memory, simplifying the design of logic or memory circuits.”,”A typical memory device has a magnetic cell to store information and a transistor to read it out. Their method can combine both into one magnetic transistor.”,”\”Now, not only are transistors turning on and off, they are also remembering information. And because we can switch the transistor with greater magnitude, the signal is much stronger, so we can read out the information faster, and in a much more reliable way,\” Liu says.”,”Building on this demonstration, the researchers plan to further study the use of electrical current to control the device. They are also working to make their method scalable so they can fabricate arrays of transistors.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tMassachusetts Institute of Technology\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t “,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник