Datoru mikroshēma bez pusvadītājiem? Kā tas darbojas?

Mūsdienās mēs automātiski asociējam datorus un dažādus mobilās ierīces ar mikroshēmām, kas izgatavotas no pusvadītāju tranzistoriem. Tiešām, tranzistors daudzus gadus ir visuresošs elektronisks komponents.







Tomēr tas ne vienmēr notika. Agrāk elektroniskajās ierīcēs tika izmantotas ierīces, ko sauca par vakuuma caurulēm vai vārstiem.







Tranzistori pret vakuuma caurulēm / vārstiem

A tranzistors ir bināra ierīce, kas darbojas kā slēdzis, novēršot vai ļaujot strāvai plūst. Transistorus var izmantot arī signālu pastiprināšanai. Tie ir izgatavoti no pusvadītāju materiāla.

A vakuuma caurule ir arī spējīgs kontrolēt strāvas plūsmu, bet to panāk, izmantojot tranzistoram atšķirīgu mehānismu. Tie ir arī daudz lielāki nekā tranzistori.

Būtībā pēc tranzistoru ieviešanas elektronikas rūpniecība sāka parādīties fenomenālā tempā. Tas ir bijis iespējams, pateicoties to nepārtrauktai sarukšanai, pateicoties dizainam un tehnoloģiskajam progresam.

Lai to uzsvērtu, mūsdienu elektroniskās ierīces satur burtiski miljardiem tranzistoru, un tos var ievietot samērā mazos iepakojumos.




Viena vakuuma caurule pret 1 miljardu tranzistoru datora procesorā… Mēģiniet nofotografēt 1 miljardu vakuuma cauruļu pret vienu tranzistoru… | Shutterstock

Tā kā gadu laikā ir palielinājies tranzistoru skaits ierīcēs, ir palielinājusies arī šo ierīču apstrādes jauda un iespējas.

Īsāk sakot, tranzistori un cita uz pusvadītājiem balstīta elektronika ir satriecoša. Tomēr jāņem vērā, ka viņi nav bez problēmām. Pusvadošo materiālu īpašību dēļ elektronu plūsma ir nedaudz ierobežota, kas var kavēt ierīču darbību tik ideāli, kā varētu vēlēties.





Daudzsološas jaunās tehnoloģijas

Iespējamā atbildē uz šo jautājumu inženiertehnisko pētījumu komanda Kalifornijas Sandjego universitātē (UCSD) nesen ir izveidojuši mikro mēroga ierīces, kas līdzīgas kādreiz populārajām caurulēm / vārstiem.

Piezīme: Šīs ierīces varētu radīt visa veida aizraujošas tehnoloģijas, piemēram, labākas saules baterijas, un tās pat varētu izmantot ārpus elektronikas nozares tādās jomās kā fotoķīmija un fotokatalīze, kas varētu būt noderīgas pat dažādos vides pielietojumos.

Šajās ierīcēs elektroni tiek atbrīvoti brīvā telpā, kas nozīmē, ka tur nav materiāla, kas ierobežotu to plūsmu. Tas ir lieliski, taču, lai atbrīvotu šos elektronus, parasti ir vajadzīgs daudz enerģijas, kā tas ir caurulēm / vārstiem, kas šobrīd ir tirgū.

Elektronu atbrīvošanai parasti nepieciešama augsta temperatūra / augsts spriegums. Tas acīmredzami nav vajadzīgs pusvadītāju ierīcēm, un šāda veida apstākļi nav piemēroti ierīcēm, kuras paļaujas uz mikroelektroniku. Šī ir viena no daudzajām lietām, kas būtu palīdzējušas palielināties pusvadītāju tehnoloģijai.

UCSD komanda tomēr izmantoja jaunu pieeju šīs problēmas novēršanai. Viņu ierīces ir izgatavotas ar tā dēvēto metasurface virsmu, kas izgatavota no zelta, uzmontēta uz silīcija vafeles ar starp tām iestiprinātu silīcija dioksīda slāni.




Pusvadītāju mikroelektroniska ierīce |UC Sandjego lietišķās elektromagnētikas grupa

Lai atbrīvotu elektronus, komanda izmanto divkāršu pieeju; ierīcēm tiek pielietots zems spriegums un infrasarkanais lāzers ar mazu jaudu. Tas noved pie tādu elektronu atbrīvošanas, kuri būtībā tiek izvilkti no metāla, jo pēc aktivizēšanas ar lāzeru un spriegumu tiek izveidots spēcīgs elektriskais lauks.





Veiktspēja un Outlook

Testos pēc aktivizēšanas ierīcēm tika parādīts vadītspējas pieaugums par tūkstoš procentiem. Jāatzīst, ka šīs ierīces vēl nav perfektas, taču tās, pirmkārt, bija paredzētas tikai kā koncepcijas pierādījums.

Komandas vadītais profesors Dans Sievenpipers norāda, ka šāda veida ierīces nav spējīgas aizstāt visu pusvadītāju ierīču klāstu, taču viņš uzskata, ka tām būs savas izceltās zonas, piemēram, lietojumprogrammās, kurām nepieciešama augsta frekvence vai liela jauda.

Komanda pēta metodes, kā uzlabot savas ierīces, kā arī iegūt labāku izpratni par to, kā tās darbojas, un izpētīt visas iespējamās lietojumprogrammas.