طور باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) ترانزستورات نانوية ثلاثية الأبعاد، قد تفتح الباب أمام جيل جديد من الأجهزة الإلكترونية ذات الكفاءة العالية في استهلاك الطاقة والأداء المتفوق.
وتستند الترانزستورات الجديدة إلى مواد شبه موصلة مختلفة عن السيليكون، مثل "الأنتيمونيد الجاليوم" و"الإنديوم أرسنيد"، والتي تمكنها من العمل بجهود كهربائية منخفضة مقارنة بالتقنيات الحالية، وفق مجلة "نيتشر" العلمية.
في ظل التقدم المتسارع في تكنولوجيا الإلكترونيات والأجهزة الذكية، تتزايد الحاجة إلى تحسين كفاءة هذه الأجهزة وتقليل استهلاكها للطاقة.
ومن بين التحديات التي تواجه الصناعة حالياً، هي الحدود الفيزيائية لتكنولوجيا أشباه الموصلات المصنوعة من السيليكون، والتي أصبحت تقيد تطور الأجهزة الإلكترونية، خاصة مع تنامي الحاجة لمزيد من القدرة الحاسوبية التي تتطلبها تطبيقات الذكاء الاصطناعي.
وتعتبر الترانزستورات المصنوعة من السيليكون، والتي تعمل كمضخمات ومفاتيح كهربائية، أحد المكونات الأساسية في معظم الأجهزة الإلكترونية.
وتواجه هذه الترانزستورات تحديات تمنع عملها عند جهد معين في درجات الحرارة العادية، ما يؤدي إلى استهلاك كبير للطاقة، ونتيجة لذلك فإن الأجهزة الحديثة التي تعتمد على السيليكون لا تستطيع تحقيق الأداء المطلوب بأقل استهلاك للطاقة.
وتأتي هذه الخطوة بعد أن وصلت الترانزستورات السيليكونية التقليدية إلى حدود فيزيائية تعيق قدرتها على تقليل استهلاك الطاقة؛ ويتسبب في ضرورة استخدام جهد كهربائي معين لعمل الترانزستورات، ما يعيق كفاءة العديد من الأجهزة الإلكترونية الحديثة.
استبدال السيليكون
ويقول المؤلف الرئيسي للبحث "يانجي شاو"، الباحث في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) إن "التكنولوجيا الجديدة لديها القدرة على استبدال السيليكون في العديد من التطبيقات، حيث تعمل بنفس وظائف السيليكون، لكنها أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة".
ويعتمد الابتكار الجديد على ظاهرة ميكانيكا الكم المعروفة باسم "النفق الكمومي " (Quantum Tunneling)، وهي خاصية تُمكّن الإلكترونات من اختراق حواجز الطاقة بدلاً من تجاوزها، مما يُسهّل عملية التشغيل والإيقاف بسرعة وفعالية.
بفضل هذا التأثير، تستطيع هذه الترانزستورات الانتقال بين حالتي "التشغيل" و"الإيقاف" بجهد أقل، ما يعني كفاءة أفضل من جانب استهلاك الطاقة، وقد أظهرت التجارب التي أجريت على هذه الترانزستورات أنها تحقق أداءً يفوق الأنواع التقليدية بنسبة 20 مرة.
استخدم الباحثون تقنيات تصنيع دقيقة تمكنوا من خلالها إنتاج أسلاك نانوية بقطر 6 نانومترات، مما ساهم في تحقيق "منحدر تبديل" حاد، وهو معيار يوضح كفاءة الترانزستور في الانتقال بين حالتي التشغيل والإيقاف بأقل طاقة ممكنة.
ويعمل الفريق الآن على تحسين تقنيات التصنيع لزيادة تجانس الترانزستورات على الشريحة الواحدة، إضافة إلى دراسة هياكل جديدة مثل الترانزستورات ذات الزعانف العمودية، والتي قد تساعد في تحسين توزيع الترانزستورات النانوية وتعزيز أدائها.
