Исследователи из Кембриджского университета разработали новый транзистор из тонких пленок оксида индия, галлия и цинка, который работает на энергии из внешней среды. Уникальная конструкция транзистора позволит устройствам функционировать без батареи несколько месяцев или даже лет. Такая технология открывает широкие перспективы для развития носимой или имплантируемой электроники. Ученые представили результаты своего труда в журнале Science 21 октября 2016 года.

«Это приведет к новой модели проектирования для сверхмаломощных датчиков сенсорных интерфейсов и обработки аналогового сигнала в носимых и вживляемых устройствах. Все они критически важны для Интернета вещей» – отмечает профессор кафедры технических наук Арокия Натан, один из авторов исследования.

Оксид индия, галлия и цинка (IGZO), из которого состоит новая разработка инженеров из Кембриджа, – полупроводниковый материал, который используется для создания тонкопленочных транзисторов. С 2012 года такие транзисторы применялись в некоторых плоскопанельных дисплеях, смартфонах и планшетах. До сих пор IGZO-транзисторы не были запущены в массовое производство из-за дорогостоящего оборудования и достаточно длительного процесса создания одного образца. Возможно, что технология, которая использовалась для создания «кембриджского» образца, потребует меньших затрат.

IGZO-транзисторы работают по принципу компьютера в спящем режиме. Новый транзистор подпитывается мельчайшими токами утечки вблизи выключенного состояния. Эта утечка в точке контакта между металлическими и полупроводниковыми компонентами транзистора, так называемого «барьера Шоттки», является нежелательной характеристикой. Эта небольшая «порция» тока сравнима с тем, как вода капает из неисправного крана, и свойственна всем транзисторам. Ученым впервые удалось этот обратить этот недостаток в пользу и использовать функционально. Эта особенность новых транзисторов открывает новые возможности для проектирования системы Интернета вещей.

«Мы бросили вызов общепринятому пониманию того, каким должен быть транзистор» – говорит профессор Натан. – Мы обнаружили, что барьер Шоттки, который большинство инженеров стараются избегать, на самом деле имеют идеальные характеристики для интересующей нас носимой или имплантируемой электроники для мониторинга состояния здоровья».

Транзисторы можно производить при низких температурах и печатать их на практически любом материале: от стекла и пластмассы до ткани и бумаги. Новый дизайн наполовину решает одну из главных проблем, препятствующих развитию транзисторов сверхнизкой мощности, а именно возможность производить их в очень маленьких размерах. Поскольку транзисторы становятся все меньше, два их электрода начинают влиять на поведение друг друга, а это означает, что меньше определенного размера транзисторы не будут работать так, как хотелось бы. Изменив конструкцию транзистора, исследователи из Кембриджа смогли использовать барьеры Шоттки так, чтобы электроды оставались независимыми друг от друга. Поэтому в ближайшем будущем можно будет производить транзисторы очень маленького размера.

«Это оригинальная конструкция транзистора. Такой тип ультра-маломощного питания – предпосылка для развития различных типов новых устройств, где важна функция, в сущности, «интеллекта», а не скорости. Полностью автономная электроника в таких устройствах сегодня становится более реальной. Они могут работать на фоновой энергии, получаемой из окружающей среды, что увеличит срок их эксплуатации» — заметил профессор кафедры разработки Гехан Амаратунга.

Конструкция транзистора позволяет усилить сигнал. Рабочее напряжение транзистора составляет меньше вольта, с потреблением энергии ниже одной миллиардной ватта. Это сверхнизкое электропотребление делает их наиболее подходящими для применения, где функциональность и долговечность важнее скорости. Что, собственно, и заложено в идее об Интернете вещей.

«Если бы мы черпали энергию из обычной АА батарейки на основе этой конструкции, она могла бы работать в течение миллиарда лет» — сказал доктор Сонсик Ли, ведущий автор исследования. – Использование барьера Шоттки не позволяет электродам мешать друг другу, чтобы усилить амплитуду сигнала даже в том состоянии, когда транзистор почти выключен».

Российская наука старается не отставать в гонке за создание ультра-маломощного транзистора. Полгода назад российские инженеры совместно с коллегами из Японии представили концепцию графенового транзистора. Его конструкция основана на использовании двухслойного графена. По словам исследователей, транзистор из такого материала сможет работать при низком напряжении (0,5 вольта) и на высоких частотах (до 100ГГц). Такие выводы были сделаны на основании расчетов – пока разработана только модель устройства.

Помимо работы над компонентами для устройств IoT исследователи Кембриджского университета уделяют внимание развитию вживляемой электроники. Два года назад они разработали искусственные мышцы, которые могут имитировать сокращения естественных. Они сделаны из полимеров, которые под воздействием электрического сигнала могут изменять размер и форму. С помощью ряда механизмов и физиологических стимулов можно воспроизвести движения, приближенные к естественным, в искусственном материале.