トランジスタゲートの電圧変化に対する電流の変化
静岡大学は2018年12月18日、NTT、北海道大学と共同で、電力供給せずにトランジスタの電流を増幅させることに成功したと発表した。ノズルから高圧で水や空気を噴出させるアスピレーターの原理を応用したもので、新たな低消費電力デバイスの開発につながると期待される。
コンピューターの高性能化は、構成部品であるトランジスタの電流を、どれだけ少ない電力で増大させるかに依っている。しかし、従来の増幅法は電力供給が不可欠で、これが発熱の原因となり、コンピュータの性能向上を阻害する本質的な問題となっていた。
今回、静岡大学電子工学研究所／創造科学技術大学院と共同研究チームは、アスピレーターの原理をトランジスタに応用し、8K（-265.15℃）の温度において、付加的な電力を供給することなくトランジスタの入力電流を増幅させることに成功した。この結果は、通常なら電子の流れの中で熱として消費されてしまうエネルギーを用いて、新たな電子の流れを作り出せることを実験的に示したものだ。これによって、これまで困難と考えられていた電流増幅に伴う発熱の抑制も可能となった。
アスピレーターは入口と出口の他にもう1つの吸込み口を持つT字菅のことで、入口を水道の蛇口へ、出口を排水口へ接続し、蛇口から勢いよく水を流すと、電力を使わずとも、吸い込み口から液体や気体を引き込み排水口へ流せる。化学の実験において、液体や気体をポンピングするときなどに用いられる。
研究グループは、トランジスタの出力端子の横に、アスピレーターの吸い込み口に対応する電流導入用の端子を付加した構造を、シリコン基板上に作製。同構造を用いて、出力端子と電流導入端子をともに接地した状態で出力端子の電流を計測した。電子を入射させるための入力端子の電位が小さいときは、入射電子は通常見られるように、より電位の低い出力端子と付加端子に分岐して流れた。
入力端子の電位が小さい場合の電子の流れ
一方、入力端子の電位を大きくすると電子が逆流を始め、出力端子の電流が増幅した。通常、物質中の電子は電位の高い場所から低い場所へと移動するため、電位の等しい端子間では電流は流れない。しかし、電子同士の衝突頻度が非常に高い特別な状況下において、電子は「電子流体」として、水などの流体のように振る舞い、近くに強い流れがあると、その流れに沿った新たな流れが生じる。
入力端子の電位が大きい場合の電子の流れ
これまで、電子流体はヒ化ガリウム（GaAs）などの一部の物質で、マイクロメートル以上の大きなスケールでのみ観測されていた。研究グループは微細なシリコン内で生じる強電界を利用することにより、より小さいナノメートルスケールのトランジスタにおいて電子流体を作成し、電位がゼロの接地した付加端子から電流を発生させることに成功。そして、これを利用したデバイス「エレクトロン・アスピレーター」を作製し、電流増幅を実証した。
今回の実験は、90ナノメートル程度のサイズのデバイスを用いたため、8Kの低温下で行われた。さらに微細化することで、動作温度の向上が期待できるという。今後、研究グループは実用化に向けて、室温動作の実証を目指す。
