Yeni 3D transistörler fiziksel sınırları aşmak için kuantum tünelleme kullanıyor

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT), yeni bir nano transistör dizaynıyla elektronik dünyasında ihtilal yaratma yolunda kıymetli bir adım attı. Çağdaş elektroniklerin temel yapı taşlarını oluşturan silikon tabanlı transistörler, her fizikî varlık üzere fizik kurallarına bağlı sınırlamalardan etkileniyor. Bu sınırlamalar, bilhassa güç verimliliğini ve performansı artırmak isteyen mühendislerin karşısına bir mani olarak çıkıyor. MIT’li bir küme mühendis, kuantum mekaniğinin benzersiz tesirlerini kullanarak bu sonları aşabilecek radikal bir tahlil geliştirdi.

Boltzmann’ın tiranlığını yıkmak

MIT takımının tahlil getirmeye çalıştığı en büyük sıkıntılardan biri, “Boltzmann tiranlığı” olarak bilinen sınırlama. Boltzmann tiranlığı, bir silikon transistörü açıp kapatmak için gerekli voltajın alt sonunu belirleyen temel bir fiziki limiti söz ediyor. Bu voltaj düzeyini çok düşürmeye çalıştığınızda, transistör açma-kapama fonksiyonunu kaybediyor ki bu da, güç verimliliğinde büyük ilerlemeler kaydedilmesini engelliyor. Bilhassa yapay zeka üzere yüksek güç tüketen uygulamalar giderek yaygınlaşırken bu durum daha kritik hale geliyor.

MIT mühendisleri, klâsik silikon yerine galyum antimonit ve indiyum arsenit gibi eşsiz yarı iletken gereçler kullanarak deneysel transistörler ürettiler. Araştırmaları, Intel’in desteğiyle finanse edilen ve Nature Electronics mecmuasında yayımlanan bu transistörlerin, güç verimliliği ve performansta ihtilal yaratabileceği belirtiliyor.

Transistörlerin bu eşsiz özelliklerinin kaynağı, MIT.nano tesisinde özel olarak tasarlanmış 3D nanotel heteroyapılarına dayanıyor. Yalnızca 6 nanometre çapında olan bu dikey nanoyapılar, MIT mühendislerinin raporladığı en küçük 3D transistörlerden biri olarak öne çıkıyor.

Kuantum tünelleme ile sonların ötesine geçiş

Bu boyutta, kuantum tesirlerinin devreye girmesiyle transistörler, silikonun fizikî sonlarını aşarak daha düşük voltajda çalışabiliyor. MIT mühendisleri, transistörleri elektronların yalıtıcı bir katman üzerinden geçmek yerine kuantum tünelleme ismi verilen bir tesir ile adeta “teleportasyon” yaparak geçmesini sağlamak üzere tasarladı. Ayrıyeten, nanotellerin küçültülmüş boyutları nedeniyle malzemelerin özellikleri kuantum hapsedilme tesiriyle değişime uğruyor.

Bu tesirleri birleştiren MIT transistörleri, silikonun başaramayacağı bir şeyi gerçekleştirdi: çok daha düşük voltajla çok süratli anahtarlama. Deneylerde, bu yeni transistörlerin anahtarlama voltaj eğimlerinin klasik silikonun limitlerinden daha keskin olduğu gözlemlendi. Hatta performansın, öbür deneysel tünelleme transistörlerine nazaran yaklaşık 20 kat daha uygun olduğu belirtiliyor.

Projenin baş muharriri Yanjie Shao, bu teknolojinin gelecekte silikonu değiştirebilecek potansiyele sahip olduğunu ve silikonun mevcut tüm fonksiyonlarını çok daha uygun bir güç verimliliğiyle sunabileceğini belirtiyor. Fakat, bu teknolojinin ticarileştirilmesi uzun bir süreci de gerektiriyor. Araştırma grubu bunun farkında olsa da kavramsal bir ispatın sunulmuş olmasına bir atılım gözüyle bakıyor. Grup ayrıyeten nano ölçekli transistörlerin tüm çip boyunca daha homojen hale getirilmesi için üretimin güzelleştirilmesi gerektiğini belirtiyor.