שיטה חדשה לפיתוח רכיבי אלקטרוניקה יעילים

מדענים מאוניברסיטת פיטסבורג העוסקים בתחום הננו-חומרים מציעים להשתמש בשיטות ואקום על מנת להתגבר על המגבלות של רכיבי אלקטרוניקה נפוצים – מוליכים למחצה המבוססים על סיליקון.

מדענים מאוניברסיטת פיטסבורג העוסקים בתחום הננו-חומרים מציעים להשתמש בשיטות ואקום על מנת להתגבר על המגבלות של רכיבי אלקטרוניקה נפוצים – מוליכים למחצה המבוססים על סיליקון.

יחד עם הופעתם של טרנזיסטורים מחומרים מוליכים למחצה – שהומצאו בשנת 1947 כתחליף לשפופרות הואקום המגושמות והבלתי יעילות – הגיעה גם הדרישה הקבועה לפיתוח טכנולוגיות מהירות יותר ויעילות אנרגטית יותר. בכדי לעמוד בדרישה זו חוקרים מאוניברסיטת פיטסבורג מציעים גרסה חדשנית של שיטה נושנה: מעבר מהשימוש ברכיבי אלקטרוניקה מבוססי סיליקון חזרה לשפופרות ואקום כתווך שבתוכו האלקטרונים נעים – שינוי המהווה סטייה משמעותית במגמת האלקטרוניקה. ממצאי המחקר של המדענים פורסמו בכתב העת המדעי המקוון Nature Nanotechnology באחד ביולי.

במהלך 40 השנים האחרונות מספר הטרנזיסטורים שהוטמעו בתוך מעגלים מודפסים בהתקנים כגון מחשבים וטלפונים חכמים הכפיל את עצמו מדי שנתיים, קצב שהפך את ההתקנים הללו למהירים ויעילים יותר. קצב הכפלה זה, הידוע בשם “חוק מור”, הוא תולדה של יכולתם המתמשכת של המדענים למזער את גודלו של הטרנזיסטור ובכך לייצר שבבי מחשב בעלי יעילות טובה יותר. אולם, מאחר והגודל של הטרנזיסטור הגיע לקצה ערכו הננומטרי האפשרי, נוצר מצב שבו האפשרות להרחיב את חוק מור עוד יותר הפכה למאתגרת ויקרה יותר ויותר.

“חסמים פיסיים מונעים מפני המדענים לפתח רכיבי אלקטרוניקה יעילים יותר,” אמר המדען הראשי של המחקר, Hong Koo Kim, פרופסור בבית הספר להנדסה של אוניברסיטת פיטסבורג. “עבדנו על מנת להסיר את המהמורה הזו באמצעות חקירת הטרנזיסטורים וקודמיהם בתפקיד – שפופרות הואקום”.

ערך הסף של מהירות פעילותו של הטרנזיסטור, אומר החוקר הראשי, נקבע על ידי “זמן מעבר האלקטרון”, כלומר – משך הזמן הנדרש לאלקטרון יחיד לעבור מהתקן אחד להתקן שני. אלקטרונים הנעים בתוככי מוליך למחצה חווים תכופות התנגשויות או שהם מתפזרים בתווך המוצק. החוקר הראשי משווה זאת לנהיגת רכב בדרך גדושת מהמורות – המכוניות לא יכולות להאיץ את מהירותן במידה רבה. באופן דומה, נמנעת השגת אנרגיית האלקטרון הנדרשת לפיתוח רכיבי אלקטרוניקה מהירים יותר.

“האופן הטוב ביותר להימנע מפיזור זה – “פקק התנועה” – יהיה שלא להשתמש בתווך בכלל, בצורת ואקום או אוויר הקיימים במרווח הננומטרי,” מסביר החוקר. “דמו זאת למטוס הטס באוויר ליעדו ללא כל מכשול”.  

יחד עם זאת, מסביר החוקר הראשי, התקני אלקטרוניקת ואקום רגילים מחייבים שימוש במתח גבוה, ואינם מתאימים ליישומים רבים. על כן, צוות המחקר שלו החליט לעצב מחדש את המבנה של התקני אלקטרוניקת הואקום. צוות המחקר גילה כי אלקטרונים הלכודים בתוככי המוליך למחצה בממשק עם תחמוצת או עם שכבת מתכת ניתנים לחילוץ קל לתוך האוויר. האלקטרונים ה”עוגנים” בשטח הממשק יוצרים שכבת מטענים, המכונה “גז אלקטרונים דו-מימדי”. החוקרים גילו כי הדחייה החשמלית – יחסי הגומלין שבין חלקיקים טעונים חשמלית – בשכבת הגז מאפשרת פליטה קלה של האלקטרונים אל מחוץ לסיליקון. החוקרים הצליחו לחלץ אלקטרונים מהסיליקון לאוויר ביעילות באמצעות הפעלת מתח חשמלי זניח, ולנתב אותם כך שיוכלו לנוע בצורה בליסטית בתוך תעלה ננומטרית ללא כל התנגשויות או פיזור.

“צורת הפליטה של מערכת אלקטרונים זו לתוככי ערוצים מלאים בואקום תוכל להוביל לקבלת משפחה חדשה של טרנזיסטורים מהירים הפועלים במתח נמוך, ובנוסף היא מתאימה לרכיבי אלקטרוניקה קיימים המבוססים על סיליקון,” מסביר החוקר.

לאור ממצאים אלו, טוען החוקר הראשי, קיימת אפשרות לכך שרעיון טרנזיסטור הואקום יחזור, אולם בצורה שונה ומשופרת משמעותית. הידיעה על המחקר