Perangkat Kuantum: Melampaui CMOS – Memanfaatkan Tunneling, Titik Kuantum, dan Spintronika untuk Elektronika Masa Depan

Sejak tahun 1960-an, teknologi CMOS telah mengikuti trajetur skala yang dapat diprediksi: panjang gate telah menyusut dari skala mikron ke node 65-nm yang saat ini dalam produksi, dengan transistor 45-nm yang diharapkan pada tahun 2007. Pada 65-nm, arus kebocoran yang didorong oleh tunneling kuantum mulai mendominasi, dan pada 45-nm, rekayasa canggih diperlukan untuk menekan kebocoran ini. Batas skala konvensional untuk transistor MOS diproyeksikan berada antara 20- dan 30-nm, dengan beberapa ahli menyebut 1- hingga 2-nm sebagai batas fisika terakhir. Fotolitografi akan terus meningkat, namun perangkat di bawah 20-nm memerlukan struktur aktif baru yang mengeksploitasi, daripada melawan, efek mekanika kuantum.

Saat geometri MOS mendekati panjang de Broglie elektron, tunneling melalui gate oxide dan saluran sempit menjadi signifikan. Kebocoran kuantum ini memaksa industri untuk mengeksplorasi perangkat yang memanfaatkan tunneling untuk performa dan efisiensi energi. Kandidat kunci termasuk resonant tunneling diodes (RTDs), double-layer tunneling transistors (Deltt), metal-insulator-insulator-metal (MIIM) diodes, quantum dot transistors, dan perangkat berbasis grafen. Elektronika berbasis spin (spintronika) juga menawarkan alternatif non-dissipatif terhadap logika yang dikontrol muatan.

Tunneling Kuantum

Tunneling kuantum: Elektron berperilaku sebagai gelombang yang dapat melewati halangan isolan yang lebih tipis dari panjang gelombangnya, memungkinkan probabilitas transmisi bahkan ketika fisika klasik memprediksi refleksi.

Secara klasik, elektron harus memiliki energi yang cukup untuk melewati halangan; jika tidak, ia akan dipantulkan. Mekanika kuantum memungkinkan probabilitas non-nol untuk menemukan elektron di sisi jauh halangan yang cukup tipis. Probabilitas tunneling meningkat secara tajam seiring berkurangnya ketebalan halangan.

Tunnel Diode

Tunnel diode: Esaki tunnel diode adalah perangkat kuantum awal yang bergantung pada daerah depleksi yang sangat doter—sekitar 1.000 kali tingkat dopping dari rectifier standar—membuat halangan cukup tipis untuk tunneling saat bias yang tepat.

Resonant Tunneling Diode (RTD)

RTD: Sebuah RTD adalah perangkat kuantum yang menampilkan dua halangan tunneling yang dipisahkan oleh quantum well. Elektron melintasi perangkat ketika energi sumber selaras dengan level terkuantisasi dalam well, kondisi yang dikenal sebagai resonansi. Arus naik saat bias mendekati resonansi, lalu turun saat energi tidak selaras lagi, memungkinkan perilaku on/off alami yang dapat menggantikan pasang transistor konvensional dalam sel logika.

RTD telah menunjukkan frekuensi osilasi hingga 712 GHz. Perilaku on/offnya membuatnya menarik untuk mengurangi jumlah komponen, luas, dan konsumsi daya dibandingkan sirkuit CMOS tradisional. [GEP] [ERB]

Double-Layer Tunneling Transistor (Deltt)

Deltt: Deltt terdiri dari dua wells konduktif sangat tipis (quantum wells) yang dipisahkan oleh insulator dengan band-gap tinggi seperti GaAlAs. Saat tegangan gate menyelaraskan level energi kedua wells, elektron menembus halangan, menyala perangkat. Bias berlebih menyelaraskan level, mematikannya. Perangkat berperilaku seperti pasang komplementer tanpa memerlukan transistor p- dan n-type terpisah, dan beroperasi pada suplai ~100 mV.

Prototyp Deltt telah berfungsi pada 4,2 K, 77 K, dan 0 °C; operasi suhu ruang diantisipasi. [GEP] [IGB] [PFS]

Metal-Insulator-Insulator-Metal (MIIM)

MIIM diode: Sebuah perangkat tunneling kuantum yang menggunakan dua lapis isolator di antara elektroda logam. Insulator harus lebih tipis dari panjang de Broglie elektron. Bajo bias maju, quantum well terbentuk di antara insulator, secara dramatis meningkatkan probabilitas tunneling dan menghasilkan karakteristik maju yang tajam. Dioda MIIM mengungguli dioda MIM konvensional dalam respons frekuensi, mencapai 3,7 THz. Menambahkan elektrode ketiga mengubah struktur menjadi transistor. [PHI]

Quantum Dot Transistor

Sebuah titik kuantum—konduktor nanoskal terisolasi—dapat menyimpan muatan diskrit, dengan titik 1- hingga 3-nm menahan satu elektron. Saat titik tersebut ditempatkan di atas isolator tipis dan dikopling ke gate, tegangan gate dapat menyelaraskan level energi titik dengan sumber, memungkinkan satu elektron untuk menembus ke titik (kotak satu-elektron). Menyematkan titik di antara sumber dan drain mengubah status muatan titik menjadi modulasi arus sumber-ke-drain yang dikontrol gate, analog dengan RTD atau Deltt. Pendekatan ini memungkinkan satu jenis transistor untuk membentuk logika komplementer. [GEP]

Single Electron Transistor

Saat dua halangan tunneling mengelilingi pulpa konduktor kecil, penambahan satu elektron mengubah potensi pulpa secara dramatis sehingga tunneling lebih lanjut terblokir—fenomena yang dikenal sebagai Coulomb blockade. Mekanisme ini mendasari single-electron transistors, yang biasanya memerlukan suhu kriogenik. Pulau berbasis grafen, namun, telah menunjukkan operasi suhu ruang. [GEP]

Grafit dan Transistor Nanotub Karbon

Transistor grafit: Grafit, lembar karbon satu atom tebal, menunjukkan konduktivitas luar biasa tanpa doping. Transistor yang dibuat dengan gate grafit menunjukkan dissipasi daya rendah dan kecepatan switching tinggi, memosisikan grafit sebagai pengganti potensial silikon. Titik kuantum grafit memungkinkan perilaku single-electron transistor pada suhu ruang. [AKG] [JWA]

Transistor nanotub karbon: Menggulung lembar grafit menjadi tabung menghasilkan konduktor 1-dimensi yang mendukung transportasi balistik, meminimalkan penambatan. Nanotub logam dan semikonduktor telah diintegrasikan ke dalam field-effect transistors, menawarkan alternatif yang lebih kecil, lebih cepat, dan lebih hemat daya dari silikon. [MBR] [PNG]

Spintronika

Spintronika mengeksploitasi spin elektron—atas atau bawah—as sebagai status biner, memungkinkan penyimpanan data dan logika dengan dissipasi energi minimal. Magnetic tunnel junctions (MTJs) terdiri dari dua lapis ferromagnetik yang dipisahkan oleh isolator tipis; resistensi jantung bergantung pada perataan spin relatif. Menambahkan lapis pinning antiferromagnetik mengstabilisasi magnetisasi referensi, meningkatkan sensitivitas baca/tulis. Array MTJ yang tertanam dalam wafer silikon menyediakan memori nonvolatil, berkecepatan tinggi yang sudah ada dalam produk komersial. [WJG] [IBM] [TLE]

Spin transistor masa depan, meskipun belum direalisasikan, dapat mengaktifkan gerbang logika yang menyebarkan spin tanpa gerakan muatan, secara dramatis mengurangi penggunaan daya. Injeksi spin melalui kontak ferromagnetik atau cahaya polarisasi sirkular telah divisualisasikan, membuka jalan menuju elektronika berbasis spin. [DDA] [RCJ2]

REVIEW:

• Penipisan gate oxide dalam transistor MOS menyebabkan kebocoran dan panas yang tidak dapat diterima, menandai batas praktis dari skala konvensional.
• Resonant tunneling diodes menggunakan tunneling kuantum untuk mencapai amplifikasi berkecepatan tinggi dan daya rendah.
• Deltt transistors mengontrol tunneling antara quantum wells, memungkinkan logika komplementer tanpa perangkat p- dan n terpisah.
• Quantum dot transistors mengganti gate dengan pulpa satu-elektron, memodulasi arus melalui Coulomb blockade.
• Spintronika memanipulasi spin elektron daripada muatan, menawarkan pemrosesan data non-dissipatif.

RELATED WORKSHEETS:

• Lembar Kerja Konduksi Elektrik dalam Semikonduktor