4 dec. 2013
2 minuten
De transistor, het werkpaard van de elektronica, heeft last van lekstroom. Dit leidt tot onnodig energieverlies, waardoor bijvoorbeeld een smartphone of een laptop vaker aan de oplader moet. Tom van Hemert en Ray Hueting van het Mesa+ instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente tonen aan dat deze lekstroom drastisch kan worden teruggedrongen door in de transistor te ‘knijpen’ met zogeheten piëzo-elektrisch materiaal, materiaal dat uitzet of krimpt wanneer er een elektrische spanning over wordt aangebracht. Hiermee wordt de theoretische limiet voor lekstroom doorbroken.
Als silicium wordt samengeknepen verandert dit de bewegingsvrijheid van een elektron binnenin dat materiaal. Zodoende kan stroom harder, of minder hard gaan lopen. Het is als een tuinslang waar minder water uit komt als je erop gaat staan. Maar merkwaardig genoeg neemt de elektronenstroom in silicium juist toe als het materiaal wordt samengeperst.
Alleen knijpen als het nodig is
In moderne microchips staan alle transistoren continu onder hoge druk, tot wel 10,000 atmosfeer. In het fabricageproces wordt deze druk hard ingebakken door transistoren te omgeven door drukkende materialen. Daardoor kan de chip sneller rekenen, maar loopt er ook meer lekstroom. Door de toepassing van het piezo-elektrisch materiaal in de transistor wordt deze alleen onder druk gezet als het nodig is. En dat kan aanzienlijk schelen in het energieverbruik.
Limiet doorbroken
Om dit idee van Ray Hueting uit te werken was het voor promovendus Van Hemert nodig de theorieën van mechanische vervorming te verbinden met de kwantummechanica die het elektrisch gedrag van een transistor beschrijft. Uit de berekeningen volgt dat de ‘tuinslangtransistor’ veel beter schakelt van uit naar aan. Volgens de klassieke theoretische limiet heeft een transistor minstens 60 millivolt nodig om tien keer meer stroom te geleiden. De piëzo-elektrische transistor gebruikt maar 50 millivolt. Daardoor kan ofwel de lekstroom worden verminderd, ofwel meer stroom worden gevoerd in de aan-toestand. In beide gevallen kunnen de prestaties van moderne microchips omhoog; in het bijzonder is het energieverbruik van chips hiermee te verminderen.
Het onderzoek is uitgevoerd in de groep Semiconductor Components van prof.dr. Jurriaan Schmitz. De groep maakt deel uit van het Mesa+ Instituut voor Nanotechnologie van de UT.
De resultaten van dit onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Transactions on Electron Devices. Tom van Hemert hoopt op 6 december te promoveren op zijn proefschrift, getiteld "Tailoring strain in microelectronic devices".
Een plakje silicium voert in een transistor de stroom. Aan beide kanten van de nieuwe transistor zit een piëzoelektrische laag. Door uitzetting van dit materiaal (rood) wordt het silicium samengeperst (blauw).
Anderen lazen ook
