På senare tid har det dock börjat gnissla lite i maskineriet, i takt med att man börjar närma sig gränserna för dagens teknik. Transistorerna i dagens datorer är gjorda i halvledarmaterialet kisel, och det finns gränser för hur små kiselkomponenter kan bli innan man börjar få problem med diverse lustiga kvanteffekter. Det är med andra ord hög tid för branschen att hitta på nåt nytt.
Eftersom grundämnet kol finns med i titeln på den här texten kunde man tro att lösningen skulle vara supermaterialet grafen, men grafen är faktiskf inte det mest uppenbara valet om man vill ersätta kisel rakt av. För att förstå varför behöver vi ta oss en närmare titt på vad en transistor gör, och varför det är så viktigt att kisel är en halvledare.
Först måste vi dock påminna om vad en halvledare är (om man redan har koll på detta kan man hoppa till nästnästa stycke). Många material i vår omgivning är isolatorer som inte leder elektrisk ström alls, som glas och trä till exempel. Det beror på att elektronerna i dessa material sitter fast. Elektroner i ett fast material kan existera i olika energitillstånd, så kallade band. Om ett band blir helt fullt av elektroner kan de elektronerna inte förflytta sig genom materialet. Det är så det ser ut i exempelvis glas: vissa band är helt fulla, andra helt tomma, och om en elektron ska flytta sig från ett fullt band till ett tomt krävs stora mängder energi (ofta så mycket att materialet smälter istället). Å andra sidan har vi också metaller som koppar eller silver, som leder elektrisk ström bra. Det beror på att istället för bara fulla och tomma band har de också ett lite halvfullt band, och elektronerna där kan lätt fara iväg om de känner av ett elektriskt fält (som när du drar en koppartråd mellan polerna på ett batteri till exempel).
Om vi undersöker en halvledare vid låg temperatur (säg i ett bad av flytande kväve) ser de ut som isolatorerna trä och glas, med helt fulla eller helt tomma band. Om vi tar upp dem ur kvävebadet och låter dem nå rumstemperatur ser vi dock att de börjar leda elektrisk ström, inte alls lika bra som metaller men mycket bättre än en genomsnittlig träbit. Det beror på att energiskillnaden mellan de fulla och de tomma banden är tillräckligt liten för att värmeenergin vid rumstemperatur ska kunna knuffa upp några elektroner från de fulla banden till det tomma. Elektronerna som hamnat i de tomma bandet kan då börja förflytta sig, och eftersom de lämnat ett tomt utrymme bakom sig i det tidigare fulla bandet kan elektronerna där också bli rörliga. Energiskillnaden mellan det fulla och det tomma bandet kallas bandgap.
Halvledare är viktiga inom elektronik för att man relativt enkelt kan justera deras ledningsförmåga på olika sätt. Om man till exempel tillsätter små mängder av ett annat grundämne, ofta gallium eller arsenik, till kisel kan man höja ledningsförmågan. Detta kallas att dopa halvledaren och beror på att de andra grundämnena skapar "mellannivåer" mellan det fulla och det tomma bandet. Eftersom de här dopämnena själva har antingen fler eller färre elektroner per atom än den ursprungliga halvledaren får man dock två sorters dopning: Om dopatomen har fler elektroner än halvledaren får man ett överskott av elektroner (n-doping) och har den färre får man ett underskott som leder till nåt som kallas elektron-hål (p-doping).
Man kan också styra ledningsförmågan efter att halvledaren tillverkats. Säg till exempel att du har tre halvledar-bitar, två p-dopade på vardera sidan och en n-dopad i mitten. Den tingesten kommer knappt att leda någon ström alls, vilket beror på att det är svårt för elektronerna att ta sig från ett p-dopat område till ett n-dopat. Om man nu lägger ett elektriskt fält på den n-dopade biten i mitten, på tvärs mot de p-dopade delarna, så kan man få elektronerna att samlas i en del av det n-dopade området. Blir fältet tillräckligt starkt kan det till och med skapa en liten kanal där det är underskott på elektroner, och då börjar hela strukturen leda ström (eftersom vi har underskott på elektroner på båda sidor och i en kanal i mitten kan de ta sig hela vägen igenom). Detta är grundprincipen bakom en fälteffekttransistor, den transistortyp som gör jobbet i din dator, platta eller smartphone.
Men grafen då? Grafen räknas som en halvledare, men har den egenheten att dess bandgap är noll. Det betyder att i transistorsammanhang beter sig grafen nästan som en metall, och går därför inte att använda i transistorer som det är. De som tillverkar transistorer i grafen måste därför försöka öppna upp ett bandgap på något sätt, exempelvis genom att placera grafenet på olika substrat eller modifiera ytan. (En annan approach är att frångå fälteffekt-tekniken och satsa på att manipulera elektronernas spin med ett magnetfält istället.)
Emellertid behöver man inte ge upp bara för att grafen har visat sig vara besvärligt - det finns nämligen andra spännande kolstrukturer att använda. En variant som man jobbat på länge, men som verkar ha fått mycket uppmärksamhet på sistone, är så kallade kolnanorör. Ett kolnanorör kan beskrivas som ett hoprullat grafenplan, och är nästan lika häftigt som grafen - nästan lika bra ledningsförmåga, mekaniskt starkt, lätt och bra på att leda värme. Nanorör kan dessutom bete sig antingen som metaller eller som halvledare, beroende på exakt hur de är "hoprullade". Lyckas man bara välja ut de halvledande nanorören så kan man få en superliten, supertunn transistor.
Emellertid vill forskare i regel ta det längre än så. Ett exempel är den grupp från Stanford som konstruerat ett tredimensionellt chip där samtliga transistorer baseras på halvledande kolnanorör. Det är inte hela strukturen som består av kol - den står på en bottenplatta av konventionella halvledare, arbetsminnet består av metall och hafniumoxid och nanorören är förbundna med metalliska elektroder. Ändå är nanorörs-transisitorerna speciella, och inte bara för att nanorören är så tunna. Eftersom de har en mycket lägre tillverkningstemperatur än ett vanligt kiselchip kan man bygga på den tredimensionella strukturen lager för lager, istället för att producera varje lager för sig och sedan bygga ihop dem i efterhand. Det har möjliggjort en tätare struktur med snabbare informationsöverföring. Prototypkretsen som forskargruppen konstruerat kan känna igen vanliga gaser i atmosfären, genom att det översta lagret kolnanorör fungerar som sensorer och de undre lagren har programmerats med en självlärande algoritm som klassificerar sensorernas signaler.
Ett sånt tredimensionellt chip är ju onekligen lite häftigt, och lär bli ännu häftigare när tillverkningsmetoderna blivit mer förfinade. En möjlig förbättring diskuteras längst ner i artikeln jag länkat till ovan. Där påpekas att en annan forskargrupp, denna gång från företaget IBM, lyckats minska ytan som en kolnanorörs-transistor tar upp ytterligare genom att förbättra kontakten mellan kolnanoröret och molybdenelektroderna som leder signalen till och från röret. De har lyckats med detta genom att skapa starka kovalenta bindningar mellan elektroden och nanoröret, vilket ger bättre ledningsförmåga över en mindre kontaktyta.
Moore's lag kanske kan klara sig ett tag till trots allt.
Halvledare är viktiga inom elektronik för att man relativt enkelt kan justera deras ledningsförmåga på olika sätt. Om man till exempel tillsätter små mängder av ett annat grundämne, ofta gallium eller arsenik, till kisel kan man höja ledningsförmågan. Detta kallas att dopa halvledaren och beror på att de andra grundämnena skapar "mellannivåer" mellan det fulla och det tomma bandet. Eftersom de här dopämnena själva har antingen fler eller färre elektroner per atom än den ursprungliga halvledaren får man dock två sorters dopning: Om dopatomen har fler elektroner än halvledaren får man ett överskott av elektroner (n-doping) och har den färre får man ett underskott som leder till nåt som kallas elektron-hål (p-doping).
Man kan också styra ledningsförmågan efter att halvledaren tillverkats. Säg till exempel att du har tre halvledar-bitar, två p-dopade på vardera sidan och en n-dopad i mitten. Den tingesten kommer knappt att leda någon ström alls, vilket beror på att det är svårt för elektronerna att ta sig från ett p-dopat område till ett n-dopat. Om man nu lägger ett elektriskt fält på den n-dopade biten i mitten, på tvärs mot de p-dopade delarna, så kan man få elektronerna att samlas i en del av det n-dopade området. Blir fältet tillräckligt starkt kan det till och med skapa en liten kanal där det är underskott på elektroner, och då börjar hela strukturen leda ström (eftersom vi har underskott på elektroner på båda sidor och i en kanal i mitten kan de ta sig hela vägen igenom). Detta är grundprincipen bakom en fälteffekttransistor, den transistortyp som gör jobbet i din dator, platta eller smartphone.
Men grafen då? Grafen räknas som en halvledare, men har den egenheten att dess bandgap är noll. Det betyder att i transistorsammanhang beter sig grafen nästan som en metall, och går därför inte att använda i transistorer som det är. De som tillverkar transistorer i grafen måste därför försöka öppna upp ett bandgap på något sätt, exempelvis genom att placera grafenet på olika substrat eller modifiera ytan. (En annan approach är att frångå fälteffekt-tekniken och satsa på att manipulera elektronernas spin med ett magnetfält istället.)
Emellertid behöver man inte ge upp bara för att grafen har visat sig vara besvärligt - det finns nämligen andra spännande kolstrukturer att använda. En variant som man jobbat på länge, men som verkar ha fått mycket uppmärksamhet på sistone, är så kallade kolnanorör. Ett kolnanorör kan beskrivas som ett hoprullat grafenplan, och är nästan lika häftigt som grafen - nästan lika bra ledningsförmåga, mekaniskt starkt, lätt och bra på att leda värme. Nanorör kan dessutom bete sig antingen som metaller eller som halvledare, beroende på exakt hur de är "hoprullade". Lyckas man bara välja ut de halvledande nanorören så kan man få en superliten, supertunn transistor.
Emellertid vill forskare i regel ta det längre än så. Ett exempel är den grupp från Stanford som konstruerat ett tredimensionellt chip där samtliga transistorer baseras på halvledande kolnanorör. Det är inte hela strukturen som består av kol - den står på en bottenplatta av konventionella halvledare, arbetsminnet består av metall och hafniumoxid och nanorören är förbundna med metalliska elektroder. Ändå är nanorörs-transisitorerna speciella, och inte bara för att nanorören är så tunna. Eftersom de har en mycket lägre tillverkningstemperatur än ett vanligt kiselchip kan man bygga på den tredimensionella strukturen lager för lager, istället för att producera varje lager för sig och sedan bygga ihop dem i efterhand. Det har möjliggjort en tätare struktur med snabbare informationsöverföring. Prototypkretsen som forskargruppen konstruerat kan känna igen vanliga gaser i atmosfären, genom att det översta lagret kolnanorör fungerar som sensorer och de undre lagren har programmerats med en självlärande algoritm som klassificerar sensorernas signaler.
Ett sånt tredimensionellt chip är ju onekligen lite häftigt, och lär bli ännu häftigare när tillverkningsmetoderna blivit mer förfinade. En möjlig förbättring diskuteras längst ner i artikeln jag länkat till ovan. Där påpekas att en annan forskargrupp, denna gång från företaget IBM, lyckats minska ytan som en kolnanorörs-transistor tar upp ytterligare genom att förbättra kontakten mellan kolnanoröret och molybdenelektroderna som leder signalen till och från röret. De har lyckats med detta genom att skapa starka kovalenta bindningar mellan elektroden och nanoröret, vilket ger bättre ledningsförmåga över en mindre kontaktyta.
Moore's lag kanske kan klara sig ett tag till trots allt.
