Cryogene neuromorfe schakelingen met poortgestuurde negatieve differentiële weerstand in siliciumcarbide

Waarom ijskoude computers ertoe doen

Quantumcomputers en ultras gevoelige ruimteinstrumenten moeten dicht bij het absolute nulpunt werken, waar zelfs een kleine hoeveelheid restwarmte problemen kan veroorzaken. Ingenieurs hebben daarom elektronische schakelingen nodig die kunnen ‘denken’ en reageren met bijna geen vermogenverbruik. Deze studie laat zien hoe een bekend halfgeleidermateriaal, siliciumcarbide, kan worden omgevormd tot kleine, neuronachtige bouwstenen die betrouwbaar functioneren in deze vrieskou en mogelijk toekomstige quantummachines kunnen aansturen.

Een nieuwe wending voor een bekende transistor

De onderzoekers beginnen met een verticale siliciumcarbide-transistor, een beproefd apparaat dat al op grote industriële wafers wordt vervaardigd. Wanneer ze deze transistor koelen tot temperaturen onder ongeveer 2 kelvin, verandert het stroom–spanning-gedrag op opvallende wijze. In plaats van dat de stroom gewoon stijgt met de spanning, is er een gebied waar een stijgende spanning juist een daling van de stroom veroorzaakt. Dit tegenintuïtieve effect, negatieve differentiële weerstand genoemd, creëert een natuurlijke schakelactie: het apparaat kan springen tussen een zeer lage-stroomtoestand en een zeer hoge-stroomtoestand met een aan/uit-verhouding van meer dan tien miljoen, terwijl het in de uit-stand nog steeds bijna geen lekstroom heeft.

Hoe koude elektronen scherpe schakelingen creëren

Bij zulke lage temperaturen zitten de meeste elektronen in het binnenste van de transistor gevangen aan onzuiverheidsatomen en bewegen ze niet, waardoor het apparaat nauwelijks geleidt. Wanneer een poortspanning wordt toegepast, opent die een pad voor elektronen om te stromen van een sterk gedoteerde bronregio naar een licht gedoteerde regio. Daar zorgen sterke elektrische velden dat sommige elektronen andere elektronen losknokken van hun onzuiverheidsplaatsen, een proces dat bekendstaat als impactionisatie. Omdat siliciumcarbide twee dicht bij elkaar liggende donor-energieniveaus van stikstofatomen bevat, schakelt deze kettingreactie zeer abrupt aan en verzadigt vervolgens, wat de karakteristieke S-vormige kromme van negatieve differentiële weerstand oplevert. Cruciaal is dat de positie en breedte van dit schakelgebied eenvoudig kunnen worden afgestemd door de poortspanning aan te passen, waardoor het apparaat een sterk programmeerbaar element wordt.

Apparaten omzetten in kunstmatige koude neuronen

Middels deze bestuurbare schakeling bouwt het team verschillende typen neuromorfe schakelingen die verschillende gedragingen van biologische neuronen nabootsen. In een sensorisch neuroncircuit laden een weerstand en condensator langzaam de transistor op totdat de schakeldrempel wordt bereikt; dan veroorzaakt de negatieve differentiële weerstand een snelle ontlading, waarbij een scherpe spanningspiek ontstaat. Herhaling van deze cyclus genereert een trein van pulsen waarvan het ritme afhangt van het ingangssignaal en de schakelingwaarden, vergelijkbaar met echte sensorische zenuwen die sneller vuren bij sterkere prikkels. Omdat de schakeling wordt bepaald door stabiele materiaaleigenschappen in plaats van warmte, blijft het pulseren robuust over veel cycli en tussen verschillende apparaten en waferpartijen.

Logica en geheugen bij een fractie van het vermogen

Dezelfde bouwsteen kan logische en geheugenachtige functies uitvoeren. Door pulsen in een kleine condensator te voeren en de transistor kort te activeren, kan de schakeling optreden als een pulserende versie van OR- of AND-poorten, afhankelijk van de gekozen stuurspanning. In een andere configuratie dient het apparaat als een integrate-and-fire-neuron, waarbij binnenkomende pulsen worden opgeteld totdat een drempel wordt bereikt en vervolgens een sterke uitgangspuls wordt uitgezonden. De onderzoekers demonstreren zowel positieve als negatieve varianten, zodat de uitgang van een trap direct de volgende kan aansturen, en ze tonen gecascadeerde ketens van deze neuronen die stabiel werken bij temperaturen rond een tiende van een kelvin.

Van laboratoriumdemo naar cryogene hersenen

Hoewel de experimenten relatief grote, discrete componenten gebruiken, schatten de auteurs dat een volledig geïntegreerde versie op een siliciumcarbide-chip elk neuron kan verkleinen tot enkele honderden vierkante micrometers en het energieverbruik per pulsgolf kan terugbrengen tot slechts tientallen femtojoules. Omdat de verwerking van siliciumcarbide in de industrie al volwassen is, kan deze aanpak opschalen naar veel apparaten op een wafer en naast andere cryogene componenten bestaan. Simpel gezegd wijst het werk op een manier om kleine, door het brein geïnspireerde besturingsschakelingen te bouwen die hun omgeving nauwelijks verwarmen, waardoor ze goed geschikt zijn om delicate qubits, koude sensoren en ruimteinstrumenten te beheren die opereren aan de rand van het absolute nulpunt.

Bronvermelding: Yang, X., Porter, M., Qin, Y. et al. Cryogenic neuromorphic circuits using gate-controlled negative differential resistance in silicon carbide. Nat Commun 17, 4351 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70963-6

Trefwoorden: cryogene elektronica, siliciumcarbide, neuromorfe schakelingen, negatieve differentiële weerstand, besturing van quantumcomputers