Peneliti MIT telah membuat terobosan besar dalam menciptakan transistor baru yang sangat kecil yang dapat meningkatkan kecepatan dan efisiensi elektronik.

Transistor merupakan bagian penting dari sebagian besar perangkat elektronik, seperti telepon pintar dan komputer, yang membantu memperkuat dan mengalihkan sinyal listrik.

Biasanya, transistor ini terbuat dari silikon, tetapi silikon memiliki batasan fisik yang mencegahnya beroperasi di bawah tegangan tertentu, sehingga mengurangi efisiensi energi.

Batasan ini, yang dikenal sebagai "tirani Boltzmann," membatasi seberapa efisien elektronik dapat beroperasi—terutama karena permintaan akan perangkat yang lebih cepat dan bertenaga AI meningkat.

Untuk mengatasi batasan ini, tim MIT telah mengembangkan jenis transistor yang berbeda menggunakan material canggih dan desain skala nano.

Transistor ini menggunakan kawat nano vertikal kecil—masing-masing hanya selebar beberapa nanometer—yang memungkinkannya beroperasi pada tegangan yang jauh lebih rendah daripada transistor berbasis silikon, sehingga jauh lebih hemat energi.

Studi yang dipimpin oleh postdoc MIT Yanjie Shao dan dipublikasikan di Nature Electronics menunjukkan bahwa transistor baru ini pada akhirnya dapat menggantikan silikon dalam banyak perangkat elektronik.

“Teknologi ini berpotensi menggantikan silikon, menawarkan fungsi yang sama dengan efisiensi energi yang lebih baik,” jelas Shao.

Desain ini mengandalkan sifat mekanika kuantum untuk mencapai kinerja tinggi dan operasi tegangan rendah dalam area yang sangat kecil, yang dapat membuat perangkat elektronik lebih cepat, lebih kecil, dan lebih hemat energi.

Transistor silikon tradisional bekerja dengan beralih dari “mati” ke “hidup” saat tegangan tertentu diterapkan, yang memungkinkan elektron melewati penghalang energi.

Proses ini, yang disebut pengalihan, sangat penting untuk perangkat digital, yang beroperasi menggunakan kode biner (1 dan 0).

Semakin sedikit tegangan yang diperlukan untuk pengalihan, semakin hemat energi transistor tersebut.

Namun, tirani Boltzmann memerlukan tegangan minimum untuk pengalihan, yang membatasi efisiensi silikon.

Untuk melewati batas ini, peneliti MIT menggunakan bahan semikonduktor alternatif—gallium antimonida dan indium arsenida—dan menerapkan prinsip mekanika kuantum yang disebut tunneling kuantum.

Penerobosan kuantum memungkinkan elektron untuk "menerobos" melalui penghalang, alih-alih harus melewatinya, yang memungkinkan operasi tegangan rendah.

Para peneliti membuat transistor penerowongan yang memanfaatkan sifat ini, yang memungkinkan perangkat untuk menyala dan mati dengan energi minimal.

Namun, transistor penerowongan secara tradisional memiliki kekurangan: transistor beroperasi dengan arus rendah, sehingga membatasi dayanya. Untuk mengatasi hal ini, tim MIT berfokus pada penyempurnaan desain transistor.

Tim mencapai terobosan ini di MIT.nano, fasilitas MIT untuk penelitian skala nano.

Mereka membangun transistor dengan struktur kawat nano vertikal dengan diameter hanya 6 nanometer, transistor 3D terkecil yang dilaporkan hingga saat ini.

Rekayasa yang tepat ini memungkinkan mereka untuk mencapai kemiringan pengalihan yang tajam, yang berarti perangkat dapat menyala dan mati lebih curam, yang meningkatkan efisiensi energi.

Desain ini bergantung pada "keterbatasan kuantum"—ketika elektron dibatasi pada ruang yang sangat kecil, mereka berperilaku berbeda, memperoleh "massa efektif" yang lebih kecil.

Perubahan ini memungkinkan elektron untuk menerobos penghalang dengan lebih efektif, bahkan pada tegangan rendah.

Dengan mengendalikan struktur 3D transistor dengan sangat tepat, para peneliti menciptakan efek pembatasan kuantum yang kuat yang memungkinkan lebih banyak arus mengalir, meningkatkan daya transistor tanpa memerlukan lebih banyak energi.

“Kami mencapai kemiringan peralihan yang tajam dan arus tinggi secara bersamaan dengan menciptakan penghalang terowongan yang sangat tipis,” kata Shao.

Para peneliti menguji transistor skala nano ini dan menemukan bahwa transistor tersebut memiliki kemiringan peralihan yang lebih tajam daripada yang mungkin dilakukan dengan transistor silikon, dengan kinerja sekitar 20 kali lebih baik daripada transistor terowongan serupa lainnya.

Penelitian ini menandai langkah yang menarik dalam pengembangan transistor skala nano, tetapi masih ada pekerjaan yang harus dilakukan sebelum dapat digunakan secara komersial.

Tim tersebut kini menyempurnakan metode fabrikasi mereka untuk membuat transistor kecil ini seragam di seluruh chip, karena perbedaan 1 nanometer pun dapat mengubah perilaku elektron dan memengaruhi kinerja perangkat.

Mereka juga mengeksplorasi struktur alternatif, seperti bentuk sirip vertikal, yang dapat meningkatkan keseragaman dan kinerja perangkat ini pada chip.

Jika berhasil, transistor skala nano ini dapat membuka jalan bagi elektronik yang lebih cepat, lebih bertenaga, dan hemat energi, serta membantu memenuhi tuntutan dunia digital yang terus meningkat. (kpo)