Klein, kleiner, kleinst. Dat gaat op voor de transistoren – de elektrische schakelingen – in onze computerchips. Ruwweg elke twee jaar verdubbelt het aantal transistoren dat op een chip past. Bevatte een chip in 1965 nog zo’n 60 transistoren, inmiddels zijn we het duizelingwekkende aantal van 2,5 miljard voorbij. Deze ontwikkeling, bekend als de Wet van Moore, geeft ons steeds kleinere en krachtigere elektrische apparaten.
Quantumwereld in zicht?
Maar hoe lang kunnen we nog doorgaan met het verkleinen van transistoren? De afmetingen van de huidige transistoren – enkele tientallen nanometers – naderen de schaal van atomen. Volgens experts komt daarmee een ondergrens in zicht. Als de stroomdraden tussen de schakelingen op een chip nog slechts enkele atomen dik zijn, gaat de geleiding omlaag als gevolg van quantumeffecten, zo is de gedachte.
Op de schaal van atomen domineert de quantummechanica, de natuurtheorie van de kleinste deeltjes op aarde. Hier stellen we elektronen voor als golven, in plaats van bewegende deeltjes zoals we normaal gesproken in de zogeheten ‘klassieke’ situatie doen. Elektronen die zich als golf door een dunne draad verspreiden kunnen elkaar beïnvloeden, waardoor de doorstroom (lees: de geleiding) belemmerd wordt. Kortom, de weerstand door draden van enkele atomen dik zou te hoog worden om een computerchip goed te laten werken.
Normale geleiding
Een studie die deze week verscheen in het tijdschrift Science werpt echter nieuw licht op de zaak. Onderzoekers van de New South Wales Universiteit in Sydney (Australië) waren in staat quantumeffecten te vermijden in nanometer dunne draadjes in silicium. De geleiding was hetzelfde als in ‘normale’, dikkere draden. Hoe kan dat?
De truc zit hem in het gebruik van fosforatomen. Fosfor heeft een elektron meer in zijn buitenste schil dan silicium. De onderzoekers etsten met behulp van een scanning tunneling microscope (STM) dunne kanaaltjes in een plak silicium. Ze waren een atoom hoog en de breedte varieerde van 1,5 tot 11 nanometer. De kanaaltjes vulden ze met fosforatomen. Vervolgens bedekten ze alles weer met silicium. Door de extra elektronen van het fosfor gedroegen de kanaaltjes zich als een zeer dunne geleidende draad.
Wet van Ohm
De stroom die door een geleider loopt ondervindt hinder van het materiaal. Dat noemen we de elektrische weerstand. Hoe groot deze weerstand precies is, wordt bepaald door de spanning over het materiaal gedeeld door de stroomsterkte. Dit staat bekend als de Wet van Ohm. Uit de wet volgt dat de weerstand door een stroomdraad lineair toeneemt met de lengte van de draad. In de quantumwereld is de weerstand juist ónafhankelijk van de lengte.
De weerstand door de ‘draden’ bleek net zo laag als in koperen draadjes die in microchips gebruikt worden en was bovendien onafhankelijk van de dikte van de draad. Dat duidde op ‘klassiek’ gedrag, namelijk de Wet van Ohm (zie kader), die iedereen op de middelbare school leert. Bovendien was de weerstand lineair afhankelijk van de lengte van de draad: wederom een eigenschap van de Wet van Ohm. Verrassend: klassiek gedrag als de Wet van Ohm kan blijkbaar in de quantumwereld behouden blijven. De hoge concentratie elektronen door het fosfor was volgens onderzoeksleider Michelle Simmons de reden dat de quantumeffecten onderdrukt werden.
Goed nieuws
Volgens David Ferrey van de Amerikaanse Arizona State University is het resultaat goed nieuws voor de halfgeleiderindustrie. Het onderzoek suggereert dat de Wet van Moore een aantal generaties langer dan gedacht voortgezet kan worden, schrijft hij in een begeleidend commentaar. Toch is niet iedereen daarvan overtuigd. Suman Datta (Pennsylvania State University, VS) is bijvoorbeeld van mening dat bij de productie van computerchips de concentratie fosfor lager moet zijn dan wat het team gebruikte. Daardoor zal de weerstand uiteindelijk groter zijn in de praktijk, zei hij tegen Nature News.
Bron:
- B. Weber e.a., Ohm’s Law Survives to the Atomic Scale, Science (6 januari 2012) DOI:10.1126/science.1214319
- D. Ferry, Ohm’s Law in a Quantum World, Science (6 januari 2012) DOI:10.1126/science.1215900
Zie ook:
- Philip Ball, Moore for less (Nature News, 21 april 2005, Engelstalig); terugblik op veertig jaar Wet van Moore.
Lees meer over computertechniek en transistoren op Kennislink:
Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/transistor/computer/index.atom?m=of", “max”=>"7", “detail”=>"minder"}