Transistors, les éléments constitutifs des appareils modernes, agissent comme des interrupteurs électroniques contrôlant le flux de courant à travers les circuits. Au cours des dernières décennies, ils ont rétréci plus de 1000 fois en taille, rendre les appareils tels que les ordinateurs portables et les smartphones plus rapides et plus compacts.

Au fur et à mesure qu'ils deviennent plus petits, cependant, ils consomment et gaspillent également plus d'énergie. Le type de transistors le plus courant appelé MOSFET ne peut pas basculer brusquement de l'état activé à désactivé, et donc du courant de fuite même après que l'appareil est éteint - plus ils sont petits, plus ils gaspillent de puissance. Les alternatives récentes appelées tunnels FET devraient gaspiller beaucoup moins d'énergie, mais sont plus adaptées aux appareils à faible performance tels que les montres ou les ordinateurs portables.

Pour la première fois, des scientifiques de l'Institut indien des sciences (IISc) ont combiné ces deux types différents de transistors en un seul appareil qui peut facilement basculer entre les modes écoénergétiques et hautes performances, selon le besoin. L'appareil a un type spécial de jonction métal-semi-conducteur qui peut être modifié pour le faire se comporter comme un MOSFET ou un FET à tunnel.

"Vous avez de la flexibilité, " dit Shubhadeep Bhattacharjee, doctorat étudiant au Center for Nano Science and Engineering, IISc et premier auteur de l'article publié dans Lettres de physique appliquée . "En utilisant le même appareil, vous pouvez avoir soit des performances élevées qui compromettent la puissance, ou une performance optimale, fonctionnement à faible puissance. Pensez-y comme si vous utilisiez la même voiture qu'une Tata Nano ou une Mercedes Benz."

Les premiers transistors étaient de la taille d'une paume, mais aujourd'hui, ils sont plusieurs milliers de fois plus petits que la largeur d'un cheveu humain. « La bonne chose à propos de cette miniaturisation est que nous sommes maintenant en mesure de regrouper plus de fonctions dans une petite zone, " dit l'auteur principal Navakanta Bhat, Chaise, Centre de nanosciences et d'ingénierie, IISc. C'est pourquoi les smartphones sont capables de faire plus aujourd'hui que ce que de nombreux ordinateurs antérieurs étaient capables de faire.

Les transistors tels que les MOSFET conventionnels, utilisé dans presque tous les gadgets électroniques aujourd'hui, fonctionnent généralement comme des vannes dans un barrage. Ils ont une source, un drain, et une porte qui contrôle le flux d'électrons entre les deux. Lorsque le portail est en position OFF, il y a une grande barrière énergétique entre la source et le drain qui empêche les électrons de se croiser. Lorsqu'une tension est appliquée, le portail est ouvert, la hauteur de la barrière est réduite, et les électrons sont capables de sauter par-dessus. Plus la tension d'alimentation nécessaire pour allumer le transistor est faible, plus l'appareil est efficace.

Cependant, les scientifiques ont été incapables de réduire la tension d'alimentation des MOSFET proportionnellement à la taille du transistor, à cause d'un défaut de conception fondamental. Un facteur appelé oscillation sous-seuil, qui détermine la tension de grille minimale requise pour que le transistor passe de l'état activé à l'état désactivé, limite la tension d'alimentation à une certaine limite inférieure d'environ 1 volt. Cela signifie que l'efficacité maximale que les MOSFET peuvent atteindre sera sévèrement limitée, quelle que soit leur taille. "C'est une limitation fondamentale imposée par la physique, puisque le nombre d'électrons capables de sauter la barrière est régi par les statistiques de Boltzmann, " dit Bhat.

Pour surmonter cette limite, les scientifiques ont essayé d'utiliser des transistors appelés FET à tunnel, où, à la place du la taille , les largeur de la barrière électronique est réduite à un point où les électrons sont capables de "tunnel" à travers la barrière au lieu de sauter par-dessus. Les FET à tunnel peuvent fonctionner à des tensions d'alimentation plus faibles et sont beaucoup plus efficaces. Mais ils ont aussi un inconvénient :la sortie souhaitée - le courant circulant lorsque le transistor est passant - est fortement réduite.

Dans cette étude, pour la première fois, les chercheurs ont conçu un dispositif hybride capable de basculer entre les modes MOSFET et FET tunnel en utilisant deux portes au lieu d'une, et un type spécial de barrière électronique appelée jonction Schottky. La barrière Schottky est créée lorsqu'un métal et un semi-conducteur sont joints dans certaines conditions. Les chercheurs ont utilisé des processus de conception spécifiques pour créer une jonction Schottky où la hauteur et la largeur de la barrière peuvent être ajustées indépendamment. Un traitement au soufre a été utilisé pour permettre cette ingénierie de contact. En outre, le matériau de grille a été déposé par évaporation par faisceau électronique, au lieu de la méthode conventionnelle de dépôt par couche atomique.

Le dispositif à double porte a pu fonctionner à une tension inférieure à celle possible avec les MOSFET conventionnels, réduisant considérablement la consommation d'énergie. Cela permettrait de réduire la tension de fonctionnement à moins d'un demi-volt. Il a également montré des performances supérieures par rapport aux FET à tunnel de pointe actuels.

La nouvelle conception composite offre beaucoup plus de flexibilité dans la fonction de transistor qu'auparavant, et peut améliorer considérablement l'efficacité des appareils électroniques, disent les auteurs.