Le nanodispositif visant à remplacer le transistor à effet de champ

Le transistor à effet de champ est le cheval de bataille de l'industrie de l'électronique grand public. Gravés dans des micropuces par milliards, ces appareils se cachent, plus ou moins inaperçus, dans pratiquement toutes les maisons, bureaux et laboratoires du monde développé.

Et pourtant, il existe un problème permanent avec les transistors à effet de champ qui empêche les concepteurs de puces de dormir la nuit : comment les rendre toujours plus petits et ainsi suivre le rythme incessant de la loi de Moore.

Les transistors à effet de champ sont déjà si petits que les rendre plus petits entraîne une multitude de défis qui ne sont en aucun cas faciles à résoudre. Les composants des transistors à effet de champ à la pointe de la technologie ne mesurent que quelques nanomètres de long, c'est-à-dire quelques couches de silicium atomique d'épaisseur.

Ces couches de silicium doivent être dopées avec d'autres atomes - une poignée suffit à faire l'affaire dans des composants aussi petits. Et c'est là que réside le problème. Même une petite variation aléatoire du nombre d'atomes dopants dans les composants semi-conducteurs peut avoir un effet énorme sur le comportement du transistor. Comment contrôler ces variations pendant la fabrication n'est en aucun cas clair. Ensuite, il y a le problème physique de rendre un appareil à trois terminaux encore plus petit.

Les concepteurs de puces aimeraient donc beaucoup avoir un autre appareil sur lequel ils pourraient compter pour construire des puces plus denses avec des composants de plus en plus petits.

Aujourd'hui, Jason Marmon de l'Université de Caroline du Nord à Charlotte et quelques copains dévoilent un tel appareil sous la forme d'un transistor à effet lumineux. Il s'agit essentiellement d'un fil conducteur lorsqu'il est baigné de lumière et isolant lorsqu'il fait noir. En d'autres termes, il s'agit d'un interrupteur modulé par la lumière. L'équipe affirme que son nouveau dispositif est plus simple qu'un transistor à effet de champ et ne repose pas sur des atomes dopants, il peut donc être rendu plus petit et ainsi continuer la loi de Moore.

Tout d'abord, un peu de contexte. Un transistor à effet de champ est un dispositif à trois bornes : une source, un drain et une grille. La quantité de courant qui circule entre la source et le drain est déterminée par la tension appliquée à la grille. Cela active ou désactive le courant.

Un transistor à effet lumineux fonctionne d'une manière totalement différente. Il s'agit simplement d'un nanofil à travers lequel le courant peut circuler en fonction de la quantité de lumière qui le frappe. En d'autres termes, il est possible d'utiliser la lumière pour allumer ou éteindre le courant.

Il n'y a rien de particulièrement nouveau ou spécial à propos de cet effet photoconducteur. Cela se produit lorsque l'absorption de la lumière augmente le nombre d'électrons et de trous dans un semi-conducteur, augmentant ainsi sa conductivité.

Cependant, les matériaux photoconducteurs n'ont jamais été adaptés comme transistors car l'effet ne fonctionne qu'à proximité de la surface du matériau et ne s'étend pas dans toute sa masse. Ils ne font donc pas de commutateurs fiables.

Mais cela change lorsqu'un matériau photoconducteur n'a que quelques couches atomiques d'épaisseur. Dans ce cas, l'effet photoconducteur se produit dans tout le matériau, ce qui le rend beaucoup plus robuste en tant qu'interrupteur.

Les travaux de Marmon and co consistent à caractériser le comportement de nanofils semi-conducteurs constitués de cadmium et de sélénium. Et ils disent que ces fils démontrent des comportements utiles et uniques.

Pour commencer, les fils fonctionnent bien comme des commutateurs qui, selon certaines mesures, se comparent bien aux transistors à effet de champ. Par exemple, ils permettent à un million de fois plus de courant de circuler lorsqu'ils sont allumés que éteints lorsqu'ils fonctionnent à une tension d'environ 1,5 V. caractéristiques potentiellement améliorées), disent Marmon et co.

Mais ces fils ont également des capacités entièrement nouvelles. L'appareil fonctionne comme un amplificateur optique et peut également effectuer des opérations logiques de base en utilisant deux faisceaux laser ou plus plutôt qu'un seul. C'est quelque chose qu'un seul transistor à effet de champ ne peut pas faire.

Et le gros avantage est que, comme l'effet photoconducteur ne nécessite pas d'atomes dopants, il n'est pas sensible aux problèmes de variation aléatoire qui affligent les transistors à effet de champ. Les nanofils sont également plus simples que les transistors à effet de champ et sont donc potentiellement moins chers et plus faciles à fabriquer.

Bien sûr, il reste de nombreux obstacles à franchir avant que ces dispositifs puissent être intégrés dans des puces intégrées ou même fabriqués à l'échelle industrielle. Les ingénieurs en électronique voudront mieux comprendre les caractéristiques de l'appareil dans un plus large éventail de conditions, en particulier en ce qui concerne la vitesse de commutation. Ils voudront également savoir comment cela se passe avec les techniques modernes de fabrication de masse.

Ensuite, il y a la question de l'architecture des puces : comment adresser avec précision environ un milliard de nanofils avec de la lumière et comment cela affecte-t-il la consommation d'énergie ?

Néanmoins, les transistors à effet lumineux offrent un éventail de possibilités fascinantes, notamment en ce qui concerne les opérations de logique optique. Il sera intéressant de voir où les chercheurs prendront cela ensuite.

Réf : arxiv.org/abs/1601.04748 : Transistor à effet de lumière (LET) avec plusieurs commandes de déclenchement indépendantes pour les portes logiques optiques et l'amplification optique

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