Moni ennustaja on luullut näkevänsä rajan, johon transistorin kehitys tyssää. Konstit ovat kuitenkin aina löytyneet yhä pienempien transistorien tekemiseen.


Konstit ovat kuitenkin aina löytyneet yhä pienempien transistorien tekemiseen.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Sisältö jatkuu mainoksen alla


Tätä nykyä integroidut piirit tehdään litografialla eli valottamalla ja syövyttämällä piirikuviot piilevyyn ja kasvattamalla piiri sen pintaan ohuina kalvoina. Pienimmillään rakenteet ovat vain noin 50 nanometrin kokoisia.

Näkyvän valon aallonpituus on suunnilleen kymmenkertainen ja esimerkiksi punaisen verisolun halkaisija noin 150-kertainen.

Piirtotarkkuutta pystytään vielä petraamaan jonkin verran, mutta kohta litografian parantaminenkaan ei auta.
Transistori ei voi kutistua loputtomiin, sillä atomit alkavat loppua kesken: tasainen aine näyttää muuttuvan erillisiksi atomeiksi ja jatkuva sähkövirta yksittäisiksi elektroneiksi. Kun tullaan atomien mittakaavaan eli noin nanometriin, elektroni ei enää käyttäydy arkijärjen mukaisesti vaan muuttuu kvanttimekaniikkaa noudattelevaksi todennäköisyysaalloksi. Elektroni saattaa esimerkiksi hypätä eristekalvon toiselle puolelle, jolloin eriste vuotaa.


Valjastetaan kvantti-ilmiöt

Jotain uutta on siis keksittävä, tai vauhti hyytyy. Kvantti-ilmiöiden kanssa on opittava elämään - tai sitten on kehitettävä uudenlaisia rakenteita, joissa nämä ilmiöt otetaan hyötykäyttöön.

Tunneloitumiseen perustuva kvanttitransistori on yksi ehdokas tulevaisuuden logiikka- ja muistipiirien komponentiksi. Vapaat elektronit rajataan ohuilla eristekerroksilla tai muilla rajapinnoilla pieneen tilaan, jonka mitat ovat 10 nanometrin luokkaa. Elektronit ovat kuin potentiaalivallien ympäröimässä kaivossa.

Elektronit pystyvät kuitenkin tunneloitumaan vallien läpi, jos ohjausjännite on sopiva. Jopa yksittäisten elektronien siirtymiset ovat havaittavissa. Siksi kvanttitransistori kuluttaa tehoa hyvin vähän, ja se on myös erittäin nopea, sillä tunneloituminen vie paljon vähemmän aikaa kuin elektronien liikkuminen tavallisessa transistorissa. Valitettavasti kvanttitransistori vaatii toimiakseen jäähdytyksen hyvin matalaan lämpötilaan.


Hiili ja muovi huomispäivää

Tavallisten puolijohteiden tilalle saattaa tulla uusia materiaaleja. Hiilinanoputket ovat yhden atomin paksuisesta hiilikerroksesta eli grafeenista tehtyjä lujia putkia, joiden halkaisija on muutama nanometri. Nano¬putki toimii joko hyvin johtavan metallin tai puolijohteen tavoin sen mukaan, miten putki on pyöräytetty grafeenista. Nanoputki voi hoitaa esimerkiksi kanavan virkaa kanavatransistorissa.

Laboratorioissa on tehty yksittäin hyviä nanoputkitransistoreja, mutta pulmallisempaa on valmistaa piiri, jossa on miljoonia yhteistyötä tekeviä transistoreja.

Yhdestä pienestä molekyylistä muodostuva transistori olisi miniatyrisoinnin huipentuma. Esimerkiksi bentseenimolekyyli, joka on hiilivetyrengas, näyttää soveltuvan molekyylitransistorin tekemiseen. Johtimien liittäminen molekyyliin on tietysti tavattoman vaikeaa. Nanotekniikan on kehityttävä roimasti, ennen kuin päästään tekemään käytännöllisiä molekyylitransistoreja.

Aina ei tarvita suurta nopeutta ja laskentatehoa. Tällaisiin sovelluksiin on puolijohdetransistorien tilalle tulossa orgaanisia muovitransistoreja. Polymeeripohjaiset piirit soveltuvat esimerkiksi taivutettaviin näyttöihin.

Muovielektroniikkaa voi suihkuttaa tulostimella tai painaa suoraan paperille. Älypaperi olisi halpaa, ja siitä voisi tehdä kertakäyttöisiä tuotteita, kuten pakkauksia ja aikakauslehtiä.


Uutta vauhtia kytkimiin

Releet ja tyhjiöputket saivat väistyä transistorin tieltä, ja samoin saattaa käydä transistorinkin. Uudet komponentit, jotka soveltuvat nopeiksi kytkimiksi tai muistielementeiksi mutta joita ei enää voida luokitella transistoreiksi, saattavat astua remmiin. Ehdokkaita on, mutta vielä lähivuosina ne eivät ole vakavia kilpailijoita.

Eksoottiset Josephsonin liitokset ja optiset kytkimet voisivat olla nykytransistoria vauhdikkaampia laitteita. Suprajohteiden välissä oleva ohut eristekerros eli tunneloitumiseen perustuva Josephsonin liitos toimii nopeana kytkimenä ja siihen liitetty suprajohtava rengas muistielementtinä. Tehonkulutus on hyvin pieni.

Optisessa kytkimessä taas käytetään elektronien sijasta valonsäteitä. Sopivaan materiaaliin viedyllä valolla ohjataan materiaalin läpi kulkevan toisen valon voimakkuutta.


Arto Lehto on radiotekniikan dosentti Teknillisessä korkeakoulussa.

Sisältö jatkuu mainoksen alla