Il transistor ferroelettrico consente il calcolo su larga scala

La rivoluzione dei big data sta mettendo a dura prova le capacità dei moderni dispositivi elettronici, costringendo gli ingegneri a ripensare quasi ogni aspetto del microchip. Con set di dati sempre più massicci da archiviare, cercare e analizzare a livelli di complessità crescenti, questi dispositivi devono diventare più piccoli, più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico per stare al passo con l’innovazione dei dati.

I transistor ad effetto di campo elettrico (FE-FET) sono tra le risposte più interessanti a questa sfida. Come i transistor convenzionali a base di silicio, i FE-FET sono interruttori che si accendono e si spengono in modo incredibilmente rapido per collegare gli 1 e gli 0 dei computer che li utilizzano per eseguire le proprie operazioni.

Ma i FE-FET hanno una funzione aggiuntiva che i transistor convenzionali non hanno: le loro proprietà ferroelettriche consentono loro di trattenere la carica elettrica.

Questa proprietà consente loro di agire come dispositivi di memoria non volatile oltre ai computer. In grado di memorizzare ed elaborare dati, i FE-FET sono oggetto di un’ampia gamma di progetti di ricerca e sviluppo. Un progetto FE-FET di successo ridurrà significativamente le dimensioni e le soglie di consumo energetico dei dispositivi convenzionali, oltre ad aumentare la velocità.

ricercatori dentro Facoltà di ingegneria e scienze applicate dell’Università della Pennsylvania Introdotto un nuovo design FE-FET che dimostra prestazioni da record sia in termini di elaborazione che di memoria.

Un recente studio pubblicato in La nanotecnologia della natura guidato Jariwala profondoKwan Ho Kim, Professore Associato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e dei Sistemi (ESE), Ph.D. candidato nel suo laboratorio, il design ha debuttato. Hanno collaborato con i membri della facoltà della Penn Engineering Troy Olsonnonché professore associato presso ESE, W Eric Stach, Roberto D. Bent è Professore di Ingegneria presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali (MSE) e Direttore del Laboratorio di Ricerca sulla Struttura della Materia (LRSM).

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Il transistor stratifica un semiconduttore bidimensionale chiamato disolfuro di molibdeno (MoS2) sopra un materiale ferroelettrico chiamato nitruro di scandio di alluminio (AlScN), dimostrando per la prima volta che questi due materiali possono essere efficacemente combinati per creare transistor di scala interessante per la produzione industriale .

“Poiché abbiamo realizzato questi dispositivi che combinano un materiale ferroelettrico con un semiconduttore bidimensionale, entrambi sono molto efficienti dal punto di vista energetico”, afferma Jariwala. “Puoi usarli sia per l’informatica che per la memoria, in modo intercambiabile e molto efficiente.”

Il dispositivo del team Penn Engineering è sottile senza precedenti, consentendo a ogni singolo dispositivo di funzionare con una superficie minima. Inoltre, piccoli dispositivi possono essere fabbricati in grandi array scalabili su piattaforme industriali.

“Con il semiconduttore MoS2, che ha uno spessore di soli 0,7 nanometri, non eravamo sicuri che potesse contenere la quantità di carica che il materiale ferroelettrico, AlScN, avrebbe iniettato”, afferma Kim. “Con nostra sorpresa, non solo sono sopravvissuti entrambi, ma anche la quantità di corrente che questo semiconduttore è stato in grado di trasportare è stata da record”.

Più un dispositivo può essere portatile, più velocemente può eseguire applicazioni informatiche. Minore è la resistenza, più veloce è l’accesso alla memoria.

Questa combinazione di MoS2 e AlScN è una vera svolta nella tecnologia dei transistor. I FE-FET di altri team di ricerca sono stati continuamente ostacolati da una perdita di proprietà ferroelettriche poiché i dispositivi sono miniaturizzati per avvicinarsi alle scale appropriate per l’industria.

Fino a questo studio, la miniaturizzazione dei FE-FET aveva gravemente ridotto la “finestra di memoria”. Ciò significa che, poiché gli ingegneri sottovalutano le dimensioni del design del transistor, il dispositivo sviluppa una memoria inaffidabile, scambiando 1 per 0 e viceversa, il che è dannoso per le sue prestazioni complessive.

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Il laboratorio e i collaboratori di Jariwala hanno raggiunto un design che mantiene la finestra della memoria ampia con dimensioni del dispositivo incredibilmente ridotte. Con AlScN a 20 nm e MoS2 a 0,7 nm, FE-FET archivia in modo affidabile i dati per un rapido accesso.

“La chiave è il nostro materiale ferroelettrico, AlScN”, afferma Olson. A differenza di molti materiali ferroelettrici, mantiene le sue proprietà uniche anche quando è molto sottile. carta recente Dal mio gruppo, abbiamo dimostrato che possiamo mantenere le sue proprietà ferroelettriche uniche a spessori ancora più piccoli: 5 nanometri”.

I prossimi passi del team di Penn Engineering si concentrano su questa miniaturizzazione aggiuntiva per produrre dispositivi che funzionano a tensioni sufficientemente basse da essere compatibili con i principali produttori di dispositivi di consumo.

“I nostri FE-FET sono incredibilmente promettenti”, afferma Jariwala. “Con l’ulteriore sviluppo, questi dispositivi versatili potrebbero avere un posto in quasi tutte le tecnologie a cui puoi pensare, in particolare quelle che supportano l’intelligenza artificiale e consumano, generano o elaborano enormi quantità di dati, dal rilevamento alle comunicazioni e altro ancora”.

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