Avec l'avènement des transistors à semi-conducteurs - inventés en 1947 pour remplacer les tubes à vide encombrants et inefficaces - est venue la demande constante de vitesses plus rapides, technologies plus économes en énergie. Pour combler ce besoin, des chercheurs de l'Université de Pittsburgh proposent une nouvelle version d'une ancienne méthode :un passage de l'utilisation de l'électronique au silicium au vide comme moyen de transport d'électrons, ce qui montre un changement de paradigme significatif en électronique. Leurs conclusions ont été publiées en ligne dans Nature Nanotechnologie 1er juillet.

Depuis 40 ans, le nombre de transistors placés sur les cartes de circuits intégrés dans des appareils comme les ordinateurs et les smartphones a doublé tous les deux ans, produire des machines plus rapides et plus efficaces. Cet effet de doublement, communément appelée « loi de Moore, " s'est produite par la capacité des scientifiques à réduire continuellement la taille du transistor, produisant ainsi des puces informatiques avec de meilleures performances globales. Cependant, à mesure que les tailles des transistors se sont rapprochées des échelles nanométriques inférieures, il est devenu de plus en plus difficile et coûteux d'étendre davantage la loi de Moore.

"Les barrières physiques empêchent les scientifiques de réaliser une électronique plus efficace, " a déclaré Hong Koo Kim, chercheur principal sur le projet et professeur Bell of Pennsylvania/Bell Atlantic à la Swanson School of Engineering de l'Université de Pittsburgh. "Nous avons travaillé pour résoudre ce barrage routier en enquêtant sur les transistors et son prédécesseur, le vide."

La limite ultime de la vitesse du transistor, dit Kim, est déterminé par le "temps de transit des électrons, " ou le temps qu'il faut à un électron pour se déplacer d'un appareil à l'autre. Les électrons voyageant à l'intérieur d'un dispositif semi-conducteur subissent fréquemment des collisions ou une diffusion dans le milieu à semi-conducteurs. Kim compare cela à la conduite d'un véhicule sur une route cahoteuse - les voitures ne peuvent pas accélérer beaucoup. De même, l'énergie des électrons nécessaire pour produire une électronique plus rapide est entravée.

"Le meilleur moyen d'éviter cet éparpillement - ou embouteillage - serait de ne pas utiliser de support du tout, comme le vide ou l'air dans un espace à l'échelle nanométrique, " a déclaré Kim. " Considérez-le comme un avion dans le ciel créant un voyage sans entrave vers sa destination. "

Cependant, dit Kim, les appareils électroniques à vide conventionnels nécessitent une haute tension, et ils ne sont pas compatibles avec de nombreuses applications. Par conséquent, son équipe a décidé de repenser complètement la structure du dispositif électronique à vide. Avec l'aide de Siwapon Srisonphan, un doctorant Pitt, et Yun Suk Jung, un stagiaire postdoctoral Pitt en génie électrique et informatique, Kim et son équipe ont découvert que les électrons piégés à l'intérieur d'un semi-conducteur à l'interface avec une couche d'oxyde ou de métal peuvent être facilement extraits dans l'air. Les électrons hébergés à l'interface forment une nappe de charges, appelé gaz d'électrons bidimensionnel. Kim a découvert que la répulsion coulombienne - l'interaction entre des particules chargées électriquement - dans la couche d'électrons permet l'émission facile d'électrons à partir de silicium. L'équipe a extrait efficacement des électrons de la structure de silicium en appliquant une quantité négligeable de tension, puis les a placés dans l'air, leur permettant de voyager de manière balistique dans un canal à l'échelle nanométrique sans aucune collision ni diffusion.

"L'émission de ce système d'électrons dans des canaux sous vide pourrait permettre une nouvelle classe de basse puissance, transistors à grande vitesse, et il est également compatible avec l'électronique au silicium actuelle, compléter cette électronique en ajoutant de nouvelles fonctions plus rapides et plus économes en énergie grâce à la basse tension, ", a déclaré Kim.

Avec ce constat, il dit, il est possible que le concept de transistor à vide revienne, mais d'une manière fondamentalement différente et améliorée.