Электромеханические переключатели были строительными блоками электроники до того, как во время войны был разработан твердотельный транзистор. Версия, сделанная из карбида кремния, на мельчайших масштабах, включается и выключается, как выключатель света, и без потери энергии, которая бесполезна для самой маленькой электроники сегодня.Ученые сообщают о своих открытиях сегодня на Международной встрече по электронным устройствам в Вашингтоне, округ Колумбия.Движущаяся часть крошечного переключателя имеет объем всего около одного кубического микрона, что более чем в тысячу раз меньше, чем устройства, сделанные в современных основных микроэлектромеханических системах (MEMS).
Таким образом, этот переключатель может двигаться намного быстрее и намного легче.Коммутатор также оказался долговечным, проработав более 10 миллионов циклов на воздухе, при температуре окружающей среды и высокой температуре без потери производительности — намного дольше, чем у большинства других кандидатов в переключатель без утечек.
Такая терпимость может позволить производителям электроники создать компьютер, работающий в условиях сильной жары ядерного реактора или реактивного двигателя. Кремниевые транзисторы начинают портиться при температуре около 250 градусов по Цельсию (480 градусов по Фаренгейту).
Испытания показали, что переключатели из карбида кремния работают при температуре более 500 градусов по Цельсию (930 градусов по Фаренгейту).Это развитие важно, потому что коммутационные устройства лежат в основе вычислительных и коммуникационных технологий.
«В наши карманы и рюкзаки мы часто носим мобильные устройства, которые состоят из миллиардов таких строительных блоков, которые включаются и выключаются для выполнения функций обработки информации», — пояснил Филип Фенг, профессор электротехники и информатики в Case Western Резерв и руководитель проекта.Полевые транзисторы на основе кремния металл-оксид-полупроводник, называемые полевыми МОП-транзисторами, являются доминирующими переключающими устройствами в интегральных схемах и привели к появлению многих необычных технологий, которыми пользуются сегодня. Но продолжающаяся миниатюризация кремниевых МОП-транзисторов в течение последних нескольких десятилетий в последнее время замедлилась, поскольку энергопотребление и рассеивание тепла стали серьезными проблемами.
Энергия теряется, и выделяется тепло, потому что наноразмерные MOFSET протекают, как старый кран. Электроны продолжают проходить через выключатель, который выключен.
«У кремниевых переключателей мощность утечки составляет от 1 до 10 нановатт каждый», — сказал Фенг. «Когда у вас есть миллиард таких устройств на компьютерном чипе, вы теряете от нескольких до десятков ватт мощности. Это будет расходовать батарею, которую вы несете, даже когда транзисторы не выполняют активных вычислительных функций».
Крупные центры обработки данных не только тратят энергию впустую, но и оплачивают охлаждение, чтобы предотвратить перегрев компьютеров.Тина Хе, аспирантка профессора Фэна в области электротехники и информатики в инженерной школе Case, расскажет о создании и тестировании переключателей в своей презентации «Наноэлектромеханические переключатели из карбида кремния (SiC) и логические вентили с длительными циклами и надежной производительностью в Окружающий воздух и высокая температура, на международной встрече.
Исследовательская группа создала трехконтактные переключатели с управляемым вентилем и различные типы логических вентилей — фундаментальные элементы, используемые в вычислениях и коммуникациях.«По сравнению с кремнием и другими распространенными материалами SiC является особенным, потому что он намного более устойчив к окислению, химическим загрязнениям и износу», — сказал Фэн. «Эти свойства должны соответствовать устройствам с более высокой производительностью, защищая их от суровых условий эксплуатации».