Jak działa chip komputerowy bez półprzewodników?

W dzisiejszych czasach automatycznie kojarzymy komputery i różne urządzenia mobilne z chipami wykonanymi z tranzystorów półprzewodnikowych. Rzeczywiście przez wiele lat tranzystor był wszechobecnym elementem elektronicznym.

Jednak nie zawsze tak było. W przeszłości w urządzeniach elektronicznych stosowano urządzenia zwane lampami próżniowymi lub zaworami.

Tranzystory kontra rury próżniowe/zawory

A tranzystor to urządzenie binarne, które działa jak przełącznik, zapobiegając lub umożliwiając przepływ prądu. Tranzystory mogą być również używane do wzmacniania sygnałów. Wykonane są z materiału półprzewodnikowego.

A rura próżniowa jest również w stanie kontrolować przepływ prądu, ale osiąga to za pomocą innego mechanizmu niż tranzystor. Są też znacznie większe niż tranzystory.

W zasadzie po wprowadzeniu tranzystorów branża elektroniczna wystartowała w fenomenalnym tempie. Było to możliwe dzięki ich ciągłemu kurczeniu się dzięki postępowi konstrukcyjnemu i technologicznemu.

Aby to podkreślić, nowoczesne urządzenia elektroniczne zawierają dosłownie

miliardy tranzystorówi mieszczą się w stosunkowo małych opakowaniach.

Wraz ze wzrostem liczby tranzystorów w urządzeniach na przestrzeni lat zwiększa się moc obliczeniowa i możliwości tych urządzeń.

Krótko mówiąc, tranzystory i inna elektronika oparta na półprzewodnikach są niesamowite. Należy jednak pamiętać, że nie są one pozbawione problemów. Ze względu na właściwości materiałów półprzewodnikowych przepływ elektronów jest nieco ograniczony, co może utrudnić urządzeniom działanie tak idealnie, jak byśmy tego chcieli.

Obiecująca nowa technologia

W możliwej odpowiedzi na ten problem, inżynierski zespół badawczy na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego (UCSD) niedawno stworzyli urządzenia w mikroskali podobne do popularnych niegdyś rurek/zaworów.

Notatka:

W tych urządzeniach elektrony są uwalniane do wolnej przestrzeni, co oznacza, że ​​nie ma tam materiału ograniczającego ich przepływ. To świetnie, ale aby uwolnić te elektrony, zwykle potrzeba dużo energii, jak to ma miejsce w przypadku lamp/zaworów dostępnych obecnie na rynku.

Do uwolnienia elektronów zwykle wymagane są wysokie temperatury/wysokie napięcie. Oczywiście nie jest to konieczne w przypadku urządzeń półprzewodnikowych, a tego typu warunki nie są odpowiednie dla urządzeń opartych na mikroelektronice. To jedna z wielu rzeczy, które pomogłyby w rozwoju technologii półprzewodnikowej.

Zespół z UCSD przyjął jednak nowatorskie podejście do obejścia tego problemu. Ich urządzenia są wykonane z tzw. metapowierzchni wykonanej ze złota, zamontowanej na płytce krzemowej z warstwą dwutlenku krzemu umieszczoną pomiędzy nimi.

Aby uwolnić elektrony, zespół stosuje dwojakie podejście; do urządzeń doprowadzane jest niskie napięcie wzdłuż i laser podczerwony o małej mocy. Prowadzi to do uwolnienia elektronów, które są zasadniczo wyrywane z metalu w wyniku wytworzenia silnego pola elektrycznego po aktywacji laserem i napięciem.

Wydajność i perspektywy

W testach, po aktywacji, urządzenia wykazały tysiącprocentowy wzrost przewodności. Urządzenia te wprawdzie nie są jeszcze doskonałe, ale w zamierzeniu miały służyć jedynie jako weryfikacja koncepcji.

Kierownik zespołu, profesor Dan Sievenpiper, stwierdza, że ​​tego typu urządzenie nie jest w stanie zastąpić całej gamy półprzewodników urządzeń, ale wierzy, że będą miały swoje wyróżniające się obszary, np. w zastosowaniach wymagających wysokich częstotliwości lub dużej mocy.

Zespół bada metody ulepszania swoich urządzeń, a także lepszego zrozumienia ich działania i odkrywania wszystkich możliwych zastosowań.

Ostatnia aktualizacja 03.02.2022 r.

Powyższy artykuł może zawierać linki afiliacyjne, które pomagają we wspieraniu Guiding Tech. Nie wpływa to jednak na naszą rzetelność redakcyjną. Treść pozostaje bezstronna i autentyczna.