Framtidens transistorer – nyckelkomponent i modern elektronik

Att chatta med vänner, kolla jobbmejl eller följa sociala medier är för många en självklar vardag. Men för våra behov behöver vi snabbare datorer med förbättrade transistorer. Foto: Pixabay

Vad händer om vi inte får snabbare datorer? Förr eller senare kommer vi att komma dit om vi inte skapar processer som är mer effektiva och förbrukar mindre energi. Transistorer som fungerar vid högre frekvenser behövs för att möta den snabba utvecklingen av våra behov av elektronik.

Transistorer fungerar som sammankopplade strömbrytare som kan slås av och på och på så sätt skicka och ta emot data. Deras stora fördel är att de är små och snabba och billiga att masstillverka. Det har gjort dem till en nyckelkomponent i modern elektronik. Utan dem hade våra datorer varit flera våningar höga, TV-apparater hade fortfarande varit byggda av elektronrör, och vi hade inte haft tillgång till internet, mobiltelefoni och andra digitala tjänster som vi idag ser som helt självklara.

Ett vägskäl

Men teknikutvecklingen står vid ett vägskäl. Det beror på att gränsen för hur små transistorerna kan göras, och därmed för hur många elektroner som kan gå in på samma yta nästan är nådd. Idag är en typisk transistor 10 nanometer och tillverkad av kisel. Det kan på sikt leda till att datorer slutar att utvecklas.
Erik Lind och hans forskargrupp vid NanoLund forskar om transistorer. Syftet är att skapa transistorer som fungerar vid högre frekvenser, vilket gör att datorer och mobiltelefoner kan göra snabbare beräkningar och bli mer effektiva. Transistorerna ska också kunna fungera vid lägre energiförbrukning än vad traditionella transistorer gör.


– Mycket av vårt välstånd de senaste 60 åren har byggt på att vi hela tiden har kunnat göra transistorerna mindre och mer effektiva. Men nu har vi snart kommit till vägs ände, där atomnivån sätter begräsningen, säger Erik Lind, forskare inom nanoelektronik vid LTH.

I en vanlig dator finns det en miljard transistorer, och i en mobiltelefon ett par miljoner

Nya material

Han och hans forskarkollegor arbetar därför med att utveckla transistorer i andra material än kisel. Det är olika halvledare baserade på exempelvis indium, gallium och antimon där elektronerna rör sig lättare och förbrukar mindre energi än vad de gör i kisel. Det gör att transistorerna kan bli mer effektiva, och att batteridriven elektronik kan användas längre, något som kan få stor positiv påverkan i länder som inte har en utvecklad elförsörjning.

– Vi måste börja titta på vilken elektronik som funkar vid hastigheter som 100 GHz. För i framtiden kommer vi inte ha mindre elektronik och kommunikation. Vi kommer att ha mer. Det är en otrolig utveckling, inte minst av det som kallas internet of things, där maskiner i vårt hem kan fjärrstyras av sensorer.


Hittills har Erik Lind och hans grupp tillverkat ett mindre antal transistorer. Transistorerna har en bra prestanda och fungerar som de ska. Men det krävs mycket för att få till en omställning på en global nivå. Det beror på att företag är relativt konservativa i vilka material de använder och att kisel är ett robust och användbart material.


– I en vanlig dator finns det en miljard transistorer, och i en mobiltelefon ett par miljoner. Men bygger vi en krets med 5-100 transistorer är vi nöjda. Kan vi få dem att sända och ta emot signaler mer effektivt än kiseltransistorer gör har vi visat att metoderna funkar.


Digitaliseringen håller på att förändra stora delar av vårt samhälle. Med hjälp av bättre nanoteknologi kan vi skapa integrerade sensorer som på ett mer effektivt sätt kan skicka och ta emot data än vad som görs idag. Image by Jonny Lindner from Pixabay

Skala upp viktigt

Nästa steg i Erik Linds forskning är att arbeta med reproducerbarhet, något som alltid är en utmaning i ett universitetslabb, speciellt i jämförelse med industrins möjligheter till att skala upp. Först då kan det bli aktuellt för företag att börja följa efter och använda nya material för att tillverka transistorer. Han arbetar också med att utveckla kvantdatorer, datorer som kan göra ännu snabbare beräkningar än vad som är möjligt idag. I motsats till en vanlig dator, är transistorerna i en kvantdator både av och på istället för antingen av eller på. Elektronerna är då i två tillstånd samtidigt, vilket gör att en kvantdator kan göra snabbare beräkningar.


– För att komma vidare med både transistorer och kvantelektronik måste vi få till bra metoder. Och det är det som vi gör i labbet. Med hjälp av bättre nanoteknologi kan vi skapa integrerade sensorer som på ett mer effektivt sätt kan skicka och ta emot data än vad som görs idag, avslutar Erik Lind.

Källa: Lunds universitet