Одноатомный транзистор

Ученые создали транзистор, состоящий из одного атома

Ученые создали транзистор, состоящий из всего одного атома. Его работа основана на точечном замещении атомов кремния на атомы фосфора в кристаллической решетке. Пока технология не промышленная: устройство работает лишь при сверхнизких температурах. Однако авторы предполагают, что уже через 20–30 лет такие транзисторы придут на рынок.

В 1965-м году основатель корпорации Intel Гордон Мур предсказал, что каждые 18 месяцев число транзисторов, размещенных в коммерческих микрочипах, в том числе и в компьютерных процессорах, будет удваиваться. По его предположению, действие этого правила, которое назвали законом Мура, должно было закончиться в 1975-м году, однако оно с успехом работает и сейчас. Предположительно, как только в коммерческих чипах появится транзистор, состоящий из одного атома, действие закона Мура все-таки закончится. Однако уже сейчас ученые исследуют возможность управлять спином — внутренним угловым моментом импульса электрона, одной из его квантовых характеристик.

Группа австралийских физиков из Университета Нового Южного Уэльса совместно с коллегами из Университета Пердью

объявила о создании совершенного транзистора, состоящего из одного атома.

Их работа опубликована в журнале Nature Nanotechnology.

Действие одноатомного транзистора основано на замещении атома кремния в кремниевой кристаллической решетке атомом фосфора — элемента, который в периодической таблице Менделеева идет сразу после кремния. Следовательно, фосфор имеет на один электрон больше, чем кремний, и в этом узле решетки имеется дополнительный электрон, который можно сделать свободным и, таким образом, сделать кристалл в этом месте электропроводящим. Изменение электропроводности — это именно то, что умеет делать транзистор – прибор, управляющий сопротивлением между эмиттером и коллектором, изменяя потенциал на «базе».

Команда из Университета Нового Южного Уэльса недавно уже научилась делать фосфорные проводники в кремнии.

Это были полоски высотой в один атом и шириной в четыре, сделанные с помощью сканирующего туннельного микроскопа – удивительнейшего устройства, способного не только разглядеть один атом, но еще и манипулировать им.

Теперь с помощью того же туннельного микроскопа они сумели сделать транзистор. Сам процесс создания одноатомного транзистора был весьма хитрым и сводился к тому, что сначала кремниевую поверхность при комнатной температуре обрабатывали фосфином РН₃, а затем подвергали нагреву до 350 градусов, в результате чего в точно выбранном месте, то есть в узле кристаллической кремниевой решетки, атом кремния заменялся атомом фосфора. Тем же способом рядом с ним вытравлялись электропроводящие полоски, находящиеся от атома-транзистора на расстоянии примерно 9 нанометров, служащие эмиттером и коллектором, и еще пары контактов, расположенные поперек этой конструкции и подальше, на расстоянии 54 нанометра от атома фосфора, с помощью которых изменялось состояние внешней электронной оболочки этого атома.

Получилось то, что в электронике называется полевым транзистором, где электросопротивлением управляет не потенциал на базе, а электрическое поле, приложенное ко всему прибору.

Справедливости ради следует напомнить, что это не первый одноатомный транзистор, полученный в лаборатории. Работы в этом направлении ведутся (и небезуспешно) с начала нулевых, однако, как утверждает Герхард Климек, руководитель группы Пердью, это были работы, «сделанные на авось», а то, что удалось сделать на этот раз, –

первый в мире «идеальный» одноатомный транзистор, сделанный с беспрецедентной точностью.

Правда, о коммерческом использовании этого прибора говорить пока не приходится. Есть два препятствия, которые сегодня ставят крест на создании с помощью такой методики промышленных микрочипов. Во-первых, такая система может работать транзистором только при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю. Во-вторых, использование сканирующего туннельного микроскопа не позволяет производить подобные транзисторы в промышленных масштабах.

Впрочем, исследователи не сомневаются, что такое положение дел сохранится недолго и лет через 10–20 чипы с одноатомными транзисторами появятся на компьютерном рынке. Герхард Климек напоминает, что даже по закону Мура это событие должно произойти в 2020-м году.