Už řadu let se hledá náhrada za tranzistory MOSFET, na nichž jsou založeny integrované obvody běžné dnes. MOSFET jsou pro dnešní potřeby už neefektivní — spoustu energie proměňují na odpadní teplo, a to omezuje i dostupné kmitočty, jež se nezvyšují už zhruba deset let; ještě stále je možné tyto tranzistory zmenšovat, ale jejich dostupná rychlost už dosáhla omezení přírodními zákony.
Mark Stewart, jenž pracuje na projektu Nanostrain, připomíná v Computer Weekly jeden možný směr vývoje náhrady: tranzistor „PET“ — řízený nikoli elektrickým polem, ale piezoelektrickým prvkem (piezoelectric‑effect transistor).
PET má mít tyto výhody:
- Rychlost — změna stavu nastává „téměř okamžitě“, v nanoměřítku v řádu pikosekund; obvody založené na PET by údajně mohly pracovat na kmitočtech až 30 GHz.
- Hospodárnost — procesory založené na PET by vyžadovaly jen desetinu napětí oproti užívanému dnes a spotřebovávaly by jen setinu elektrické energie. To by znamenalo podstatný průlom například pro výdrž mobilních zařízení, nebo pro výpočetní výkon v nich dostupný, ale ovšem třeba i pro spotřebu a chlazení datacenter.
Laboratoře IBM Research představily prototyp PET už v roce 2012, a mají na něj podánu patentovou přihlášku, ale PET zatím zůstává omezen na laboratoř. Podle Marka Stewarta je třeba přesnějších měření a lepšího poznání chování potřebných materiálů.
Jev piezoelektrický objevili v roce 1880 bratři Pierre a Jacques Curie: krystaly některých látek se mechanickým stlačením nabíjejí elektricky, jak stlačení vychýlí ionty v krystalické mřížce; ale projevují se také opačně, elektrické pole způsobí změnu jejich tvaru — rozepnutí v jednom rozměru a smrštění v jiném — tím, jak přitahuje nebo odpuzuje ionty v krystalické mřížce.
PET však využívá ještě jevu piezoodporového (objeveného v roce 1856 Kelvinem): určité látky mění pod tlakem svou elektrickou vodivost.
Piezoelektronický tranzistor vyvinutý v laboratořích IBM Research
Piezoelektronický tranzistor
Přes označení PET slouží v tomto tranzistoru jako polovodič látka piezorezistivní, na obrázku červená.
Prvek piezoelektrický — na obrázku modrý — působí tak, že při přivedení napětí na řídicí hradlo (gate) rozepne se ve směru pole a zatlačí na prvek piezorezistivní; ten se pod tlakem promění z nevodiče ve vodič.
Míra vodivosti prvku piezorezistivního určí proud mezi ostatními dvěma kontakty tranzistoru, jež tvůrci PET nazvali „sense“ a „common“.
Tranzistor musí být sevřen v látce zvláště tuhé (na obrázku šedě).
Závislost vodivosti SmSe na tlaku
Pro prvek piezorezistivní vybrali si výzkumníci selenid samarnatý, SmSe, ale obdobné vlastnosti vykazuje několik dalších chalkogenidů vzácných zemin, jako SmTe (tellurid samarnatý), SmS (sulfid samarnatý), tedy monochalkogenidy samaria, dále TmTe (tellurid thulnatý) nebo SmEuS.
Na těchto neběžných sloučeninách se výzkumníkům zamlouvá plynulý přechod z nevodiče ve vodič v závislosti na tlaku, a dále vysoký poměr prvotní nevodivosti k dosažitelné vodivosti, jenž je potřebný k energetické úspornosti zařízení.
Opakované stlačování nezpůsobuje těmto látkám únavu, jelikož nenarušuje a nemění vazby mezi atomy, pouze stlačuje zakázaný pás mezi vrstvou valenční a vodivostní a přibližuje k sobě plně obsazený orbital 4f6 a prvotně zcela prázdný 5d0, do něhož po stlačení mohou pronikat elektrony ze 4f.
Vyrábět nanotenké filmy těchto látek již lze, hlavní otázka po vytvoření prototypu spočívala v tom, zda si i v nanoměřítku zachovají žádoucí vlastnosti a zda budou dostatečně spolehlivé a výroba obvodů přijatelně levná.
Na tyto otázky má pomoci odpovědět evropský výzkumný projekt Nanostrain, na němž se podílí několik národních ústavů metrologických, včetně českého ČMI, a také řada partnerů ze sféry komerční, včetně IBM TJ Watson Research Center.
Projekt řeší v prvé řadě způsoby spolehlivého měření rozpínání piezoelektrických látek v nanoměřítku.
Je rozvržen na tři roky a započal už na podzim 2013, zbývá mu tedy zhruba půlrok. Jeho výsledky mají být otevřeně zpřístupněny průmyslu a mají přispět k rozvoji nanotechnologií obecně.
Ale kdy se na trhu objeví hromadně vyráběné integrované obvody založené na PET, objeví‑li se vůbec? Mark Stewart odhadl v rozhovoru natočeném před dvěma roky, že ne dříve než za patnáct až dvacet let.
