Prototype nieuwe transistor voor lager energieverbruik

Wetenschappers van onderzoeksinstituut MESA+ van de Universiteit Twente hebben samen met het bedrijf SolMateS een nieuw type transistor ontwikkeld om het energieverbruik van microchips te verlagen. Het basiselement van hedendaagse elektronica, de transistor, heeft last van een aanzienlijke lekstroom. Door de transistor te omhullen met een schilletje van een piëzo-elektrisch materiaal, een materiaal dat vervormt als er spanning op staat, wisten de onderzoekers deze lekstroom met een factor vijf te verlagen (vergeleken met een transistor zonder dat materiaal). Het artikel, waarin het prototype van de transistor gepresenteerd wordt, verschijnt in het juninummer van het wetenschappelijke tijdschrift Transactions on Electron Devices, toonaangevend op het gebied van transistoronderzoek.

Lekstroom in transistors is een van de oorzaken van het leegraken van de accu’s van draagbare elektronica, zoals smartphones en laptops. Met het nieuwe type transistor kan of de lekstroom(terwijl de transistor dus niet actief is), óf het energieverbruik (terwijl de transistor actief is) worden aangepakt. In het laatste geval is naar schatting een winst rond de tien procent in energieverbruik te behalen.

Slim knijpen

De truc schuilt in een piëzo-elektrisch materiaal dat aan de buitenkanten van de transistor wordt aangebracht. Het piëzo-elektrische materiaal zet uit als je er spanning op zet en drukt het silicium in de transistor samen met een druk van ongeveer 10.000 atmosfeer. Deze hoge druk zorgt er voor dat elektronen sneller door de transistor stromen. Door ‘slim in de transistor te knijpen’ kun je microchips dus efficiënter maken.

Ook bestaande transistors worden overigens al onder hoge druk gezet om de efficiëntie te verbeteren. Hierbij is de druk echter permanent ingebakken, wat de lekstroom weer verhoogt. In het prototype van de UT wordt de transistor alleen onder druk gezet als dat nodig is en dat scheelt aanzienlijk. Daarmee wordt de elektrische spanning, nodig om de transistor te laten schakelen van aan naar uit, gedeeltelijk vervangen door mechanische spanning.

Schets van het prototype van de transistor. De transistorstroom loopt door kleine siliciumbalkjes, die zijn omhuld met een lagenpakket van geleiders en piëzo-elektrisch materiaal. De geleiders regelen de hoeveelheid mechanische spanning, en ook de hoeveelheid elektronen in het silicium. Zodoende kan de stroom aan- en uitgeschakeld worden.

Grofstoffelijk

Volgens dr. ir. Ray Hueting van de vakgroep Halfgeleidercomponenten gaat het om een eerste prototype dat al een energiebesparing kan opleveren. “Het ontwerp is nog redelijk grofstoffelijk. Het ligt dus voor de hand dat bij doorontwikkeling van de transistor nog een belangrijke efficiëntieslag gemaakt kan worden.”

Het werkingsprincipe van deze transistor was in 2013 theoretisch voorspeld door dezelfde onderzoeksgroep. Maar dat de transistor een succes zou zijn, stond van tevoren bij lange na niet vast. Reden hiervoor is dat piëzo-elektrische materialen en silicium (waarvan transistors worden gemaakt) moeilijk te combineren zijn. De onderzoekers hebben dit opgelost door tussen beide materialen een bufferlaag aan te brengen. 

Bovenaanzicht van de opwaartse beweging van een piëzoFET met 5 parallelle silicium balkjes (ook wel ‘fins’ genoemd) ten gevolge van het piëzo-elektrisch effect. De groene delen bewegen niet, de rode wel, wanneer een elektrische spanning wordt aangelegd over het piëzomateriaal.

Onderzoek

Het onderzoek is uitgevoerd door Buket Kaleli, Ray Hueting en Rob Wolters van de Universiteit Twente. Medewerkers van SolMateS, een spin-off bedrijf van de Universiteit Twente, brachten de piëzo-elektrische laag op de transistor aan. Het onderzoek is financieel mede mogelijk gemaakt door Technologiestichting STW.