L’elettronica del futuro, si ritorna alle valvole


 

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.