ట్రాన్సిస్టర్‌ల కోసం కొత్త మెటీరియల్ డిజైన్ నెబ్రాస్కా టుడే నెబ్రాస్కా టెక్నాలజీని సూక్ష్మీకరించడాన్ని అనుమతిస్తుంది

సెమీకండక్టర్ రీప్లేస్‌మెంట్‌ల యొక్క జెకిల్ మరియు హైడ్ లక్షణాలను నియంత్రించడం ద్వారా, ఇవి ఎలక్ట్రికల్‌గా బలమైన ఇన్సులేటర్‌ల నుండి కరెంట్-కండక్టింగ్ లోహాలకు మారుతాయి, నెబ్రాస్కా యొక్క జియా హాంగ్ మరియు సహచరులు చిన్న, మరింత సమర్థవంతమైన సెమీకండక్టర్‌లను అభివృద్ధి చేస్తున్నారు.ఇది డిజిటల్ పరికరాలకు కొత్త మార్గాన్ని తెరిచి ఉండవచ్చు.

గోల్డిలాక్స్ జోన్‌లో విద్యుచ్ఛక్తిని నిర్వహించగల సెమీకండక్టర్ల సామర్థ్యం (లోహాల కంటే బలహీనమైనది, ఇన్సులేటర్‌ల కంటే మెరుగైనది) బైనరీ వాటిని మరియు సున్నాలను ఎన్‌కోడ్ చేసే ట్రాన్సిస్టర్‌లు, చిన్న ఆన్-ఆఫ్ స్విచ్‌లను నిర్మించాలని చూస్తున్న ఇంజనీర్‌లకు ఇది ఆదర్శంగా నిలిచింది. . గేట్ ఇన్సులేటర్ అని పిలువబడే కంట్రోల్ నాబ్‌కు వోల్టేజ్‌ని వర్తింపజేయడం వల్ల సెమీకండక్టర్ ఛానెల్ (1) ద్వారా కరెంట్ ప్రవహిస్తుంది. మీరు దాన్ని తీసివేస్తే, ప్రవాహం ఆగిపోతుంది (0).

మిలియన్ల కొద్దీ ఈ నానోస్కేల్ సెమీకండక్టర్-ఆధారిత ట్రాన్సిస్టర్‌లు ఆధునిక మైక్రోచిప్‌లను పూస్తాయి, డేటాను సమిష్టిగా ప్రాసెస్ చేయడానికి లేదా నిల్వ చేయడానికి ఆన్ మరియు ఆఫ్ చేస్తాయి. అయితే ట్రాన్సిస్టర్‌లు ఇప్పటికే చాలా చిన్నవిగా ఉన్నప్పటికీ, వినియోగదారు మరియు పోటీ డిమాండ్‌లు ఎలక్ట్రికల్ ఇంజనీర్‌లను ట్రాన్సిస్టర్‌లను మరింత చిన్నవిగా చేయడానికి బలవంతం చేస్తున్నాయి, ఎక్కువ కార్యాచరణతో ప్యాక్ చేయడానికి లేదా వాటిని ఉంచే పరికరాలను కుదించండి. నేను దీన్ని చేయమని అడుగుతూనే ఉన్నాను. దురదృష్టవశాత్తూ, ఆ ఇంజనీర్లు ఇప్పుడు చిన్న సెమీకండక్టర్లను ఎలా తయారు చేయవచ్చనే దానిపై ఆచరణాత్మకమైన, ప్రాథమికమైన పరిమితులను ఎదుర్కొంటున్నారు.

పరిశోధకులు పరిశ్రమకు ఇష్టమైన సిలికాన్‌నే కాకుండా మొత్తం సెమీకండక్టర్‌లను చూడటం ప్రారంభించారు. 20 సంవత్సరాల క్రితం, కొందరు వ్యక్తులు మోట్ ఇన్సులేటర్స్ అని పిలిచే ఒక రకమైన పదార్థాన్ని ఉపయోగించడం ప్రారంభించారు. సెమీకండక్టర్‌లు దశాబ్దాల క్లాక్‌వర్క్ పురోగతిని నడిపించే సంతోషకరమైన మాధ్యమం అయితే, మోట్ ఇన్సులేటర్‌లు రెండు-ముఖాలుగా ఉంటాయి, దీని సందిగ్ధత వారి ఆకర్షణ మరియు నిరాశ రెండింటికీ మూలం. వైల్డ్‌కార్డ్ లాగానే ఉంటుంది.

దీర్ఘకాల వాహకత సిద్ధాంతం ప్రకారం, మోట్ ఇన్సులేటర్ల ఎలక్ట్రానిక్ లక్షణాలతో కూడిన పదార్థాలను సాధారణంగా లోహాలుగా వర్గీకరించాలి. అయినప్పటికీ, లోహాలు మరియు సెమీకండక్టర్లలోని ఎలక్ట్రాన్ల వలె కాకుండా, మోట్ ఇన్సులేటర్లలోని ఎలక్ట్రాన్లు స్వతంత్ర కణాల వలె ప్రవర్తించవు. బదులుగా, అవి స్థానిక సైట్‌లకు పరిమితమై ఉంటాయి మరియు వాటిని మెటీరియల్‌లో స్వేచ్ఛగా కదలకుండా నిరోధించే విధంగా సంకర్షణ చెందుతాయి. అయినప్పటికీ, కొన్ని పరిస్థితులు (అధిక ఉష్ణోగ్రత, మరిన్ని ఎలక్ట్రాన్‌ల పరిచయం) ఈ శక్తులను అధిగమించి చివరికి ఎలక్ట్రాన్‌లను ఖాళీ చేయగలవు, ముఖ్యంగా మోట్ ఇన్సులేటర్‌ను వాహక లోహంగా మారుస్తుంది.

“కాబట్టి (సాంప్రదాయకంగా) మీరు సంచార ఎలక్ట్రాన్‌లు లేదా స్థానికీకరించిన ఎలక్ట్రాన్‌లను కలిగి ఉంటారు” అని నెబ్రాస్కా-లింకన్ విశ్వవిద్యాలయంలో భౌతికశాస్త్ర ప్రొఫెసర్ హాంగ్ చెప్పారు. “ఇది చాలా స్పష్టంగా నిర్వచించబడింది.

“అయితే, మోట్ ఇన్సులేటర్ల విషయంలో, ఎలక్ట్రానిక్ పరస్పర చర్యలను విస్మరించలేము. ఇటువంటి సహసంబంధాలు వాటిని లోహాలు లేదా అవాహకాలుగా నిర్వచించడం కష్టతరం చేస్తాయి. ఇది అవాహకం కావచ్చు లేదా అవాహకం కావచ్చు.”

మోట్ ఇన్సులేటర్ పైన ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్ మెటీరియల్ అని పిలవబడే ఒక గేట్ ఇన్సులేటర్‌ను ఉంచడం ద్వారా మరియు వోల్టేజ్‌ని ఉపయోగించి ధ్రువణాన్ని లేదా ధనాత్మక మరియు ప్రతికూల చార్జీల అమరికను రివర్స్ చేయడం ద్వారా, పరిశోధకులు మోట్ పరివర్తనను సృష్టించగలిగారు. నేను దానిని అవాహకం నుండి లోహానికి మరియు వైస్ వెర్సాకు ప్రేరేపించగలనని గ్రహించాను. ఈ విధంగా, జత చేసే ప్రవర్తన మరియు అత్యంత ఆశాజనకమైన లక్షణాలు సెమీకండక్టర్ల తర్వాత రూపొందించబడ్డాయి.

అయినప్పటికీ, మోట్ ఇన్సులేటర్‌ల యొక్క లోహ దశ దీర్ఘకాలిక అవాహకాలపై ఒక ముఖ్యమైన ప్రయోజనాన్ని అందిస్తుంది: అవి సాంప్రదాయ సెమీకండక్టర్ల కంటే చాలా ఎక్కువ ఛార్జ్ సంఖ్యలు మరియు సాంద్రతలను కలిగి ఉంటాయి. అధిక సాంద్రత, చార్జ్ చేయబడిన ఎలక్ట్రాన్లు విద్యుత్ క్షేత్రాన్ని నిరోధించడానికి తక్కువ స్థలం అవసరం, ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్ యొక్క ధ్రువణాన్ని మారుస్తుంది మరియు ట్రాన్సిస్టర్ “ఆఫ్” స్థితిలో ఉండటం అసాధ్యం. మరియు చార్జ్ చేయబడిన కణాలకు అవసరమైన షీల్డింగ్ పొడవు తక్కువగా ఉంటుంది, ట్రాన్సిస్టర్‌ను చిన్నదిగా చేయవచ్చు, ఇది మునుపటి సెమీకండక్టర్ ట్రాన్సిస్టర్‌ల కంటే చిన్నదిగా ఉంటుంది.

సమస్య? అదే తగ్గింపు సాంద్రత మోట్ ఛానల్‌ను ఇన్సులేటర్ నుండి మెటల్‌గా మార్చడంలో క్లిష్టతను మరింత పెంచుతుంది మరియు దీనికి విరుద్ధంగా ఓవర్‌లైయింగ్ ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్ మెటీరియల్ ద్వారా. ఇంజనీర్లు ట్రాన్సిస్టర్ యొక్క సాంకేతిక సాధ్యతను దాని ఆన్-ఆఫ్ నిష్పత్తి ద్వారా కొలుస్తారు, వోల్టేజ్ వర్తించినప్పుడు ప్రవహించే కరెంట్ మొత్తం మరియు వోల్టేజ్ లాగినప్పుడు ప్రవహించే మొత్తం (ఆదర్శంగా సున్నాకి దగ్గరగా ఉంటుంది) ఇది తరచుగా జరుగుతుంది. అధిక నిష్పత్తి, డేటాను ప్రాసెస్ చేసేటప్పుడు మరియు నిల్వ చేసేటప్పుడు లోపం కోసం ఎక్కువ మార్జిన్ ఉంటుంది. “ఆఫ్” స్థితిలో కరెంట్‌ను కనిష్టీకరించడం కూడా శక్తిని ఆదా చేస్తుంది, అయితే “ఆన్” స్థితిలో కరెంట్‌ని పెంచడం వల్ల ప్రాసెసింగ్ వేగం పెరుగుతుంది.

2018లో, హాంగ్, డాక్టోరల్ అడ్వైజర్ యిఫీ హావో మరియు పోస్ట్‌డాక్టోరల్ పరిశోధకుడు జుగాంగ్ చెంగ్ మొదట సమస్యను పరిష్కరించిన ఒక సంవత్సరం తర్వాత, మరొక పరిశోధనా బృందం గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద మోట్ ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్ జతల ఆన్-ఆఫ్ ప్రవర్తనను పరిశోధించింది. నిష్పత్తి 11కి చేరుకుంది. . హస్కర్ మరియు అతని బృందం వారి స్వంత ప్రయోగాలు చేసిన తర్వాత చివరికి దానిని 17కి పెంచారు. ఇది మెరుగుపడింది, కానీ ఇప్పటికీ చాలా తక్కువగా ఉంది.

చివరికి, హాంగ్ మరియు అతని సహచరులు మోట్ ఛానెల్ క్రింద మరొక పొరను జోడించాలని నిర్ణయించుకున్నారు. మూడవ, దిగువ పొర కోసం, బృందం దాని పైన ఉన్న మోట్ మెటీరియల్ వలె ఎక్కువ ఛార్జ్ సాంద్రతను మోయలేని పదార్థాన్ని ఎంచుకుంది, అయితే ముఖ్యంగా ఛార్జ్ మోట్ నుండి క్రిందికి కదలడానికి అనుమతిస్తుంది. చిన్న ప్రాంతాలు.

ఫలితంగా, జట్టు జెకిల్‌ను ఉంచింది మరియు హైడ్‌ను మచ్చిక చేసుకుంది. అధిక-సాంద్రత ప్రాంతం యొక్క స్పేస్-పొదుపు ప్రయోజనాలు మిగిలి ఉన్నాయి, అయితే మొత్తం సాంద్రత తగ్గినందున (అదనపు దిగువ పొరకు ధన్యవాదాలు), బృందం ఇన్సులేటర్-టు-మెటల్ పరివర్తనలపై కూడా ఎక్కువ నియంత్రణను కలిగి ఉంది. లాభం రికార్డులో అత్యధిక ఆన్-ఆఫ్ నిష్పత్తి రూపంలో వచ్చింది, ఇది 385, గతంలో నివేదించిన దానికంటే 20 రెట్లు ఎక్కువ. ఈ సంఖ్య మోట్ ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్ విధానంతో సాధించగలిగే గరిష్ట పరిమితిని అధిగమించవచ్చని హాంగ్ చెప్పారు.

అది కూడా ప్రయోజనకరమా? ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్స్ అస్థిరత లేనివి. మరో మాటలో చెప్పాలంటే, ఇది స్థిరమైన శక్తిని సరఫరా చేయకుండానే 1 మరియు 0లను పట్టుకోగలదు. మరియు రివర్స్ పోలరైజేషన్‌కు ఒక చిన్న వోల్టేజ్ మాత్రమే అవసరమవుతుంది అనే వాస్తవం MRAM వంటి నాన్‌వోలేటైల్ కాని అయస్కాంత ఆధారిత జ్ఞాపకాల కంటే మోట్ ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్ జతలను మరింత శక్తివంతం చేస్తుంది.

“నాకు, సాంకేతికత అభివృద్ధి పరంగా, ఇది చాలా పెద్ద విషయం ఎందుకంటే ఇది సాధ్యమేనని చూపిస్తుంది” అని హాంగ్ చెప్పారు. “సాంప్రదాయ సెమీకండక్టర్ల యొక్క అనేక తయారీ ప్రక్రియలను నిలుపుకోవడం ద్వారా మరియు వాటి ప్రాథమిక పరిమితులను అధిగమించడం ద్వారా, మేము చాలా అధిక పనితీరు పరికరాలను సాధించగలము.”

మోట్-ఆధారిత ట్రాన్సిస్టర్‌లను ఈ పరికరాల్లో మరింత త్వరగా ఉపయోగించవచ్చని హాంగ్ అభిప్రాయపడ్డారు.

“నేను సిద్ధంగా ఉన్నానని అనుకుంటున్నాను,” ఆమె భావన గురించి చెప్పింది. “ఇది ఇతర అస్థిరత లేని మెమరీ సాంకేతికతలతో చాలా పోటీగా ఉంది. సరైన మనస్తత్వం ఉన్న ఎవరైనా కాన్సెప్ట్‌ను అర్థం చేసుకుని, అమలు చేయగలరని నేను భావిస్తున్నాను.”

పరిశోధనా బృందం వారి ఫలితాలను నేచర్ కమ్యూనికేషన్స్ జర్నల్‌లో నివేదించింది. హాంగ్, హావో మరియు చెన్ నెబ్రాస్కాకు చెందిన లే జాంగ్, యిమీ ఝు, మ్యుంగ్-గ్యున్ హాన్ మరియు బ్రూక్‌హావెన్ నేషనల్ లాబొరేటరీకి చెందిన వీ వాంగ్, యూనివర్శిటీ ఆఫ్ బాస్క్ కంట్రీకి చెందిన యు-వెన్ ఫాంగ్ మరియు షాంఘైలోని న్యూయార్క్ విశ్వవిద్యాలయం సహ రచయితగా ఉన్నారు. యొక్క హంగూయ్ చెన్‌తో అధ్యయనం పరిశోధకులకు ప్రాథమికంగా నేషనల్ సైన్స్ ఫౌండేషన్ మద్దతు ఇచ్చింది, ఇది నెబ్రాస్కాకు 2021లో $20 మిలియన్ గ్రాంట్‌ను అందించింది, అలాగే సెమీకండక్టర్ పరిశోధన సంస్థ.