Миниатюризация транзисторов продолжается, однако снижение энергопотребления при переключении обычных кремниевых устройств сталкивается с серьёзным физическим препятствием. Исследователи из Гонконгского политехнического университета предложили инновационное решение — транзистор, использующий механизм квантового туннелирования вместо традиционного теплового переноса электрических зарядов. Это устройство функционирует за пределами так называемого предела Больцмана.

Современные логические интегральные схемы построены преимущественно на основе полевых транзисторов MOSFET. Чтобы переходить между закрытым и открытым режимами, зарядам необходимо преодолеть энергетический барьер. При обычной температуре физические закономерности теплового движения ограничивают переключаемость: для изменения тока в десять раз требуется изменить напряжение на управляющем электроде примерно на 60 мВ. Эта характеристика именуется подпороговым размахом, а значение 60 мВ называют пределом Больцмана.

Данная проблема становится критической при понижении рабочего напряжения микросхем. При уменьшении напряжения без улучшения подпорогового размаха возрастают паразитные токи и общее энергопотребление. В течение многих лет инженеры разрабатывают альтернативные типы транзисторов, способные работать на других физических принципах.

Исследовательская группа под руководством профессора Цзяньхуа Хао разработала туннельный полевой транзистор (TFET) на основе гетероструктуры из висмута и селенида индия (InSe). Материалы наносились методом импульсного лазерного напыления с точным контролем структуры на атомном масштабе. В тонкоплёночном состоянии полуметаллический висмут приобретает полупроводниковые характеристики, а особое расположение энергетических уровней позволяет носителям заряда эффективно туннелировать в InSe.

Квантовое туннелирование принципиально отличается от теплового прохождения через энергетический барьер. Частица может преодолеть препятствие, не обладая достаточной энергией — квантовая механика позволяет это с определённой вероятностью. Благодаря этому механизму TFET не подчиняется обычному ограничению MOSFET в 60 мВ на декаду.

Согласно опубликованному в журнале Science исследованию, транзистор Bi/InSe сохранял подпороговый размах менее 60 мВ на декаду при изменении тока на шесть порядков величины. Критический ток I₆₀ составлял примерно десять микроампер на микрометр, а отношение токов в открытом и закрытом состояниях превышало 10⁷.

Высокий выходной ток чрезвычайно важен для практического применения в электронике. Ранние образцы TFET действительно демонстрировали резкое переключение, но часто характеризовались слишком малым током при включённом состоянии. Логический элемент в реальном процессоре должен быстро воздействовать на последующие транзисторы, поэтому недостаточный ток увеличивает временные задержки и нивелирует часть преимуществ низковольтной работы.

Разработанный транзистор успешно работал при комнатной температуре на стандартных кремниевых подложках сантиметровых размеров. Для управления потребовался диапазон напряжений на электроде всего 160 мВ. По сравнению с примерно 800 мВ для современных MOSFET это позволяет значительно сократить напряжение питания логических схем.

Авторы исследования связывают достигнутые результаты с несколькими факторами: тщательным выбором материалов, чистыми границами раздела слоёв, создаваемыми в условиях вакуума, и специальной инженерией энергетических зон. Метод импульсного лазерного напыления хорошо подходит для управляемого создания тонких двумерных структур и перспективного масштабирования подобных систем.

Путь до внедрения данной технологии в промышленное производство процессоров ещё достаточно долог. Лабораторный образец требует трансформации в технологический процесс с миллиардами идентичных элементов, стабильным выходом качественных изделий, приемлемой надёжностью и совместимостью со всеми стадиями массового производства. Тем не менее, сочетание подпорогового размаха ниже предела Больцмана с высоким выходным током решает одну из ключевых проблем, долгое время препятствовавших конкуренции туннельных транзисторов с MOSFET.

Разработчики рассматривают TFET в качестве фундамента для будущих энергоэффективных интегральных схем, в том числе специализированных процессоров для искусственного интеллекта. Главное преимущество может заключаться не только в дальнейшей миниатюризации самого транзистора, но и в возможности выполнять вычисления при существенно сниженном напряжении и потреблять меньше энергии при каждом переключении.