L'elettronica del futuro, si ritorna alle valvole

L'elettronica del futuro, si ritorna alle valvole

di Andrea Bai pubblicata il , alle 15:01 nel canale Scienza e tecnologia
 

Un gruppo di ricercatori all'Università di Pittsburgh ha realizzato una nuova struttura elettronica che permette di ritornare al vuoto come mezzo per il trasporto degli elettroni nei transistor.

Si tratta di un ritorno alle radici dell'elettronica: il transistor a stato solido come lo conosciamo oggi fu ideato nel 1947 come sostituto per i tubi a vuoto, ingombranti e poco affidabili. In passato sono già stati fatti tentativi di riproporre l'elettronica basata sui tubi a vuoto utilizzando tecniche della produzione a stato solido, ma la difficoltà di superare i requisiti di elevata tensione ed i problemi di compatibilità con la tecnologia CMOS non hanno portato a risultati apprezzabili.

Il limite alla velocità dei transistor è determinato dal tempo di transito degli elettroni, cioè il tempo che un elettrone impiega a passare da un transistor all'altro. Gli elettroni che viaggiano all'interno di un semiconduttore sono spesso soggetti a fenomeni di collisioni o scattering nel mezzo a stato solido. Hong Koo Kim, principale autore della ricerca, paragona questo comportamento al guidare una vettura su una strada sconnessa, dove l'auto non può raggiungere velocità particolarmente elevate. "Il miglior modo per evitare lo scattering sarebbe quello di non usare alcun mezzo, come il vuoto o l'aria in uno spazio nanometrico. E' come un aereo nel cielo che viaggia senza ostacoli verso la sua destinazione".

Il gruppo di ricercatori ha riprogettato la struttura del dispositivo a vuoto in una struttura MOS verticale, con un triplo strato di metallo, diossido di silicio e silicio caratterizzato da un profondo solco. Gli strati di metallo e silicio formano l'anodo ed il catodo del dispositivo, separati dal diossido di silicio isolante, ed il trasporto elettronico avviene in senso verticale attraverso il vuoto.

I ricercatori hanno scoperto che gli elettroni intrappolati in un semiconduttore nei pressi dell'interfaccia con uno strato di ossido o di metallo possono essere facilmente estratti nell'aria. Gli elettroni formano una sorta di "foglio" di cariche, dove le forze di repulsione tra cariche consentono una facile emissione degli elettroni al di fuori del silicio.

Questa caratteristica consente di creare un dispositivo a bassa tensione dove gli elettroni possono viaggiare in maniera "balistica" nell'aria di un canale nanometrico, senza che si verifichino collisioni o effetti di scattering. La lunghezza del canale è di circa 20 nanometri e le misurazioni effettuate dal team hanno rilevato una trasconduttanza di 10 nanosiemens per micron, un rapporto on/off pari a 500 ed una tensione turn-on del gate di 0,5V a condizioni di temperatura e pressioni ambiente.

"L'emissione di elettroni nel canale di vuoto può consentire di realizzare una nuova classe di transistor ad elevata velocità e a basso consumo, e risulta inoltre essere compatibile con l'attuale elettronica basata sul silicio, rappresentando un complemento che aggiunge nuove funzionalità e maggiore efficienza grazie al basso voltaggio" ha dichiarato Kim.

20 Commenti
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the_joe04 Luglio 2012, 15:11 #1
Non ho capito un passaggio

I ricercatori hanno scoperto che gli elettroni intrappolati in un semiconduttore nei pressi dell'interfaccia con uno strato di ossido o di metallo possono essere facilmente estratti nell'aria.


Si parla di un canale VUOTO o contentente ARIA?????
Phoenix300004 Luglio 2012, 16:03 #2
Originariamente inviato da: the_joe
Non ho capito un passaggio



Si parla di un canale VUOTO o contentente ARIA?????


Il passaggio da te citato fa riferimento al fenomeno di emissione degli elettroni sulla superfice del semiconduttore verso il mezzo soprastante che, se non c'è il vuoto, è aria.
Ma in passaggi precedenti e successivi si fa chiaramente riferimento al vuoto come mezzo, meno "disturbato", di propagazione degli elettroni.
mondopinguino04 Luglio 2012, 16:07 #3
Dall'articolo originale si legge:
electrons trapped inside a semiconductor at the interface with an oxide or metal layer can be easily extracted out into the air. The electrons harbored at the interface form a sheet of charges, called two-dimensional electron gas.


Credo di aver capito che l'aria, a temperatura e pressione ambiente, è un gas con una densità molto più bassa della densità del silicio, per questo le collisioni con altri atomi sono estremamente ridotte conseguentemente la mobilità degli elettroni risulta incrementata.

Phoenix300004 Luglio 2012, 16:11 #4
Originariamente inviato da: mondopinguino
Dall'articolo originale si legge:


Credo di aver capito che l'aria, a temperatura e pressione ambiente, è un gas con una densità molto più bassa della densità del silicio, per questo le collisioni con altri atomi sono estremamente ridotte conseguentemente la mobilità degli elettroni risulta incrementata.


A maggior ragione nel vuoto...
the_joe04 Luglio 2012, 16:16 #5
Originariamente inviato da: Phoenix3000
A maggior ragione nel vuoto...


Si, ma fino a prova contraria il vuoto è isolante non contenendo niente, quindi per far transitare gli elettroni è necessario "spararli" e per spararli serve energia, difatti nelle valvole circolano tensioni ben più alte che nei transistor.

Boh, mi sembra tutto strano, a partire come ho detto dal fatto che i parla di vuoto e poi di estrazione degli elettroni dall'aria come se si parlasse di un normale conduttore ma anche l'aria è un cattivo conduttore......

Vedremo.
Giuss04 Luglio 2012, 17:10 #6
Infatti le valvole oltre alle tensioni molto alte hanno un filamento che viene riscaldato proprio per produrre il flusso di elettroni nel vuoto

Ma qui probabilmente il funzionamento è diverso, la spiegazione non è molto chiara
birmarco04 Luglio 2012, 17:34 #7
Ma questa notizia non l'avevate già pubblicata un mese fa?
Phoenix300004 Luglio 2012, 17:39 #8
Originariamente inviato da: the_joe
Si, ma fino a prova contraria il vuoto è isolante non contenendo niente, quindi per far transitare gli elettroni è necessario "spararli" e per spararli serve energia, difatti nelle valvole circolano tensioni ben più alte che nei transistor.

Boh, mi sembra tutto strano, a partire come ho detto dal fatto che i parla di vuoto e poi di estrazione degli elettroni dall'aria come se si parlasse di un normale conduttore ma anche l'aria è un cattivo conduttore......

Vedremo.


Il vuoto è un ottimo isolante termico ma il fatto che non contenga niente favorisce lo spostamento di cariche senza che subiscano collisioni con altre particelle estranee. Qui stiamo parlando del fenomeno della emissione di elettroni all'interfaccia tra il silicio ed un metallo. Questi elettroni formano una sorta di nuvola che si sposta in modo balistico, quindi formando un arco, tra gli elettrodi sotto l'impulso di una differenza di potenziale di pochi decimi di volt, quella di un transistor appunto. Lo spazio attravero cui si spostano d'altronde, è un canale di 20 nm (quindi infinitesimale) ed il vuoto evita fenomeni di collisioni non volute.
Non pensare ad una valvola termoionica, pensa solo ad un transistor dove gli elettroni si spostano attraverso una strada ad attrito praticamente nullo, potendosi staccare dalla superfice, invece che attraverso un solido.
Gli elettroni farebbero la stessa cosa in presenza di aria ma la sua assenza, diminuendo le perturbazioni nello spostamento degli stessi, aumenta la velocità. E questo è poi lo scopo, aumentare la velocità degli elettroni equivale ad una maggior reattività dei transistor e quindi, in definitiva, ad una maggior velocità di un Chip.
the_joe04 Luglio 2012, 17:48 #9
Originariamente inviato da: Phoenix3000
Il vuoto è un ottimo isolante termico ma il fatto che non contenga niente favorisce lo spostamento di cariche senza che subiscano collisioni con altre particelle estranee. Qui stiamo parlando del fenomeno della emissione di elettroni all'interfaccia tra il silicio ed un metallo. Questi elettroni formano una sorta di nuvola che si sposta in modo balistico, quindi formando un arco, tra gli elettrodi sotto l'impulso di una differenza di potenziale di pochi decimi di volt, quella di un transistor appunto. Lo spazio attravero cui si spostano d'altronde, è un canale di 20 nm (quindi infinitesimale) ed il vuoto evita fenomeni di collisioni non volute.
Non pensare ad una valvola termoionica, pensa solo ad un transistor dove gli elettroni si spostano attraverso una strada ad attrito praticamente nullo, potendosi staccare dalla superfice, invece che attraverso un solido.
Gli elettroni farebbero la stessa cosa in presenza di aria ma la sua assenza, diminuendo le perturbazioni nello spostamento degli stessi, aumenta la velocità. E questo è poi lo scopo, aumentare la velocità degli elettroni equivale ad una maggior reattività dei transistor e quindi, in definitiva, ad una maggior velocità di un Chip.


Grazie per la spiegazione, quindi si tratterebbe di "svuotare" lo spazio che c'è nei punti di giunzione fra le componenti dei transistor?
maxmax8004 Luglio 2012, 18:12 #10
in parole molto povere sarebbe un transistor che funziona con il principio di funzionamento delle vecchie valvole, giusto?


implementare questa tecnologia insieme al Tri-gate di intel potrebbe essere il nuovo ponte per velocizzare l' arrivo alla lavorazione intorno ai 10nm..

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