«Нанопроводниковые» транзисторы с фотонным управлением — новый путь к реализации технологий оптических вычислений

1e5fce2a3ee060b0b399277c035788ff

Идeя зaмeны элeктрoнoв фoтoнaми свeтa и сoздaниe вычислитeльныx систeм, спoсoбныx рaбoтaть буквaльнo сo скоростью света, витает в научном сообществе сделано достаточно долго. Ученые из разных стран разработали ряд фотонно-электронных компонентов, которые смогут стать в будущем основой таких систем, все, в большинстве случаев, при работе компонентов все же требуется выполнять преобразование оптических сигналов в электрические и (шиворот-)навыворот при помощи чисто электронных цепей. А это, в свою очередь, значительно снижает кпд и быстродействие вычислительной системы.

Достаточно эффективное и элегантное решение вышеупомянутой проблем преобразования сигналов было найдено учеными из Корейского университета (Korea University). Сим решением являются транзисторы из нанопроводников с фотонным управлением (photon-triggered nanowire transistor, PTNT). Из-за счет использования некоторых видов взаимодействия света с материей, ток, протекающий после транзистор, контролируется при помощи потока света, падающего на определенный адъюстаж нанопроводника.

Основой PTNT-транзистора является нанопроводник из полупроводникового материала, в кой включены продолговатые прозрачные кремниевые сегменты, чередующиеся с сегментами из непрозрачного пористого кремния. Электрические контакты устанавливаются держи концах нанопроводника в области его прозрачных сегментов.

Сегменты из пористого кремния выступают в роли «резервуаров» в целях пойманных в ловушку электронов. Из-за этого в нанопроводнике возникает электрический потенциал, задерживающий прохождение через него электрического тока, что соответствует выключенному состоянию транзистора. Одначе, пористый кремний обладает высокой чувствительностью к свету и когда фотоны света попадают в поверхность пористого кремния, пойманные в ловушке электроны возбуждаются, переходят на больше высокий энергетический уровень и становятся способны «сбежать» из этой ловушки. Т.е. при освещении соответствующих сегментов филдистор начинает пропускать электрический ток, переходит во включенное состояние.

Эксперименты с опытными образцами PTNT-транзисторов показали, который соотношение их проводимости во включенном состоянии к проводимости в выключенном состоянии составляет 106, чего позволяет использовать такие транзисторы не только в качестве дискретных (логических) компонентов, только и для усиления оптического сигнала с одновременным его преобразованием в электрический.

Немногим затем исследователи синтезировали более сложные структуры нанопроводников, которые содержали по банан сегмента из пористого кремния, и состоянием такого транзистора уже можно было обслуживать при помощи двух независимых оптических сигналов. И уже на основе таких «двойственных» транзисторов исследователи создали фотонные логические азбука, реализующие стандартные функции AND, OR, NAND и их комбинации.

Сегменты нанопроводников из пористого кремния делаются неотложно при помощи метода химического травления. Побочным эффектом этого является в таком случае, что поверхность нанопроводника в целом получается грубой, а его структура — неравномерной, подобно как приводит к повышению удельного электрического сопротивления. В скором времени исследователи займутся поисками другого метода получения пористого кремния, тот или другой не будет затрагивать структуру проводника в целом, что позволит получить высокую непроизводительность и быстродействие транзистора.