V súčasnosti si už nevieme predstaviť život bez elektroniky. Vo vrecku nohavíc nosíme smartfón, na ruke smart hodinky, v práci používame počítač alebo pomocou neho riadime rôzne stroje a roboty.
V domácnosti sme obklopení elektronikou od mikrovlnky cez práčku a sušičku, ktoré nám pomocou notifikácie na mobile oznámia, že dokončili svoju činnosť. Srdcom tejto elektroniky sú polovodičové súčiastky, ktoré sa spájajú do zložitejších celkov – integrovaných obvodov, ako sú procesory a pamäte. Nie je novinkou, že doteraz najrozšírenejším polovodičovým materiálom je kremík vďaka zvládnutej technológii prípravy, dostupnosti materiálu (piesok) a hlavne nízkej cene.
Nástupcovia kremíka
V súčasnosti prichádza k enormnému nárastu objemu prenesených dát prostredníctvom mobilných zariadení (najmä vďaka streamovaniu hudby a videa). Na to už reagoval trh príchodom 5G siete, ktorá prináša až rádové zrýchlenie nahrávania a sťahovania súborov rýchlosťou smart zariadení komunikujúcich medzi sebou, vytvorením smart miest podporou na riadenie autonómnych áut a podobne. Kremík však dokáže s rozumnou účinnosťou pracovať nanajvýš do frekvencie spracovávaného signálu 6 GHz (t. j. 6 miliárd zmien signálu za sekundu), čo nie je dostačujúce. Taktiež zmenšovanie je na kraji fyzikálnych možností. Napríklad Samsung momentálne vyrába procesory v technologickom nóde 7 nm (najmenší dosiahnuteľný rozmer), čo je veľkosť predstavujúca približne iba 14 atómov umiestnených vedľa seba. Vhodnými nástupcami kremíka sú zlúčeninové polovodiče zložené z prvkov III. (gálium Ga, hliník Al, indium In) a V. (dusík N, fosfor P, arzén As) skupiny periodickej tabuľky. Najvýznamnejšie sú nitrid gália (GaN), prípadne arzenid gália (GaAs), no je ich omnoho viac a môžu pozostávať z dvoch, troch, prípadne štyroch rôznych prvkov. Vhodnou kombináciou týchto materiálov môže na ich rozhraní vzniknúť kvantová jama, v ktorej sú voľné elektróny priestorovo obmedzené v dvoch rozmeroch, teda vytvárajú rovinu. Vďaka tomu je možné dosiahnuť ich veľmi vysokú koncentráciu a pohyblivosť. Ak k tomu pridáme vysoké prierazné napätie a možnosť pracovať až do 400 °C, GaN jasne prevyšuje vlastnosti kremíka.
Základný prvok
Tranzistor je elektronická súčiastka, ktorá má tri elektródy (vývody). V nej medzi elektródami source S a drain D môže tiecť elektrický prúd v závislosti od napätia na hradle gate G, ktorým regulujeme tok prúdu. Funkcia tranzistora sa dá zjednodušene vysvetliť ako kohútik na vodu, kde otočením kohútika (v našom prípade gate G) regulujeme prúd vytekajúcej vody (z drainu D). Existujú dva typy napätím riadených tranzistorov. V ochudobňovacom tranzistore (D-mode) bez priloženého napätia na riadiacu elektródu ním prechádzajú elektróny medzi S a D, ale keď na hradlo priložíme záporné napätie, odpudíme elektróny z tzv. kanála (channel) pod hradlom a prúd netečie (obr. 1 vľavo). V obohacovacom tranzistore je pod hradlom tok prúdu prerušený (napr. odleptaním vrstvy pod hradlom) a k jeho opätovnému obnoveniu dochádza priložením kladného napätia na hradlo (obr. 1 vpravo). Tranzistory na báze GaN sú prirodzene ochudobňovacieho typu. V praxi sú však požiadavky najmä na obohacovací typ kvôli tzv. bezpečnej elektronike, kde v prípade poruchy hradla tranzistor ostane v bezpečnom vypnutom stave a prúd cezeň netečie.
Od tranzistora k procesoru
Na to, aby sa nám podarilo vytvoriť integrovaný obvod alebo procesor, potrebujeme vytvoriť tri základné logické bunky: logický súčet (OR), logický súčin (AND) a logickú negáciu (invertor, NOT). Následným vhodným pospájaným týchto základných buniek je možné vytvoriť akýkoľvek požadovaný logický odvod, ktorý na základe vstupov prenesie na výstup výsledok. Na Elektrotechnickom ústave SAV sa nám ako jedným z prvých na svete podarilo vytvoriť takéto logické bunky na nitride gália. Na obr. 2 je znázornená prevodová charakteristika logickej negácie, ktorej funkcia je invertovať vstupnú hodnotu, čiže z logickej 0 na vstupe urobí na výstupe logickú 1 a naopak. Rovnako sme pripravili aj zvyšné dva typy základných logických buniek (OR, AND). Samozrejme, niektoré parametre (zmenšenie rozmerov, prispôsobenie medzi jednotlivými bunkami) je potrebné ešte optimalizovať, ale najdôležitejšie je, že sa nám podarilo demonštrovať dosiahnuteľnosť výroby GaN logiky, ktorá môže byť kľúčovou technológiou v budúcich mobilných sieťach. Na porovnanie, v 5G sieťach je GaN využitý iba vo výkonových prvkoch vo vysielačoch a prijímačoch, ale v 6G sieťach je veľmi pravdepodobné, že sa masívne využije aj GaN logika na komplexné riadenie siete.
Ing. Michal Blaho, PhD.
Elektrotechnický ústav SAV
Článok vznikol v spolupráci s platformou Mladí vedci SAV.
