Jak uratować problematyczny tranzystor grafenowy

Na ścianie znajduje się napis na chipie krzemowym. Tranzystory kurczą się przez ostatnie pół wieku, ale nie mogą zmniejszać się w nieskończoność. Większość ekspertów z branży uważa, że ​​zmniejszanie skali technologii chipów krzemowych nie może wykraczać daleko poza 2026. Oczywiście ważne pytanie brzmi, co ją zastąpi.

Jedną z możliwości jest grafen, którego różne zespoły na całym świecie wykorzystywały do ​​wytwarzania niezwykle szybkich tranzystorów. W zeszłym roku jeden zespół taktował tranzystor grafenowy na chłodnym 427 GHz. Można więc wybaczyć myślenie, że grafen jest idealnym zamiennikiem krzemu.

Nie tak szybko. Z grafenem jest poważny problem, który utrudnia jego zastosowanie w tranzystorach – nie ma przerwy wzbronionej.

Oznacza to, że w grafenie nie ma takiego zakresu energii, w którym nie mogą istnieć stany elektronowe. Innymi słowy, nie da się wyłączyć grafenu. A dla tranzystora oznacza to poważne kłopoty.

Dziś Guanxiong Liu i jego koledzy z University of California w Riverside twierdzą, że znaleźli sposób na obejście tego problemu, dzięki czemu tranzystory grafenowe bez pasma wzbronionego mogą działać w zupełnie inny sposób niż konwencjonalne przełączniki. Uzyskane wyniki pokazują zmianę koncepcyjną w badaniach nad grafenem i wskazują alternatywną drogę dla zastosowań grafenu w przetwarzaniu informacji.

Każdy materiał stały ma swoje własne charakterystyczne pasma energii, w których elektrony mogą płynąć, tworząc przewodnik lub nie mogą płynąć, tworząc izolator. W półprzewodniku elektrony nie mogą płynąć przy niskiej energii, więc materiał zachowuje się jak izolator. Jednak stosunkowo niewielka ilość energii może wepchnąć elektrony do tak zwanego pasma przewodnictwa, gdzie przepływają swobodnie tworząc przewodnik.

Różnica energii między tymi stanami izolacji i przewodzenia to pasmo wzbronione, a zdolność przełączania między jednym stanem a drugim jest cechą definiującą tranzystor.

Problem z grafenem polega na tym, że nie ma przerwy wzbronionej; elektrony mogą płynąć z dowolną energią. Dlatego głównym celem inżynierów grafenu było znalezienie sposobów na stworzenie sztucznej przerwy energetycznej za pomocą metod takich jak stosowanie pól elektrycznych, domieszkowanie atomami lub rozciąganie i ściskanie materiału.

Podejścia te spotkały się ze skromnym sukcesem. Praktyczne obwody cyfrowe wymagają pasma wzbronionego rzędu 1 eV w temperaturze pokojowej. Ale najlepsze wysiłki z grafenem przyniosły skromne przerwy wzbronione rzędu kilkuset meV.

Nawet wtedy wiązało się to z poważnymi kosztami. Najlepsze tranzystory grafenowe są niezwykle szybkie, ale rozpraszają energię, jakby nie było jutra, i przepuszczają prąd jak woda przez sito.

Teraz Liu i spółka wymyślili zupełnie inne podejście. Celowo unikamy wszelkich prób sztucznego wywołania pasma energetycznego, które uczyniłoby grafen bardziej podobnym do krzemu, jak mówią. Zamiast tego polegają na innym zjawisku zwanym ujemną rezystancją, aby stworzyć zachowanie podobne do tranzystora.

Ujemna rezystancja to sprzeczne z intuicją zjawisko, w którym prąd wnikający do materiału powoduje spadek napięcia na nim. Różne grupy, w tym ta w Riverside, wykazały, że grafen wykazuje w pewnych okolicznościach negatywną odporność.

Ich pomysł polega na tym, aby wziąć standardowy grafenowy tranzystor polowy i znaleźć okoliczności, w których wykazuje on ujemną rezystancję (lub ujemną rezystancję różnicową, jak to nazywają). Następnie wykorzystują spadek napięcia, jak rodzaj przełącznika, do wykonywania logiki.

W rzeczywistości głównym wkładem tego artykułu jest pokazanie, w jaki sposób można połączyć kilka grafenowych tranzystorów polowych i nimi manipulować w sposób, który daje konwencjonalne bramki logiczne.

A wyniki są obiecujące. Liu i spółka demonstrują skuteczność swojego podejścia, projektując obwód na bazie grafenu, który może dopasować wzory i pokazać, że ma kilka ważnych zalet w porównaniu z wersjami opartymi na krzemie.

Po pierwsze, Liu i spółka mogą zbudować elementarne bramki XOR z zaledwie trzech grafenowych tranzystorów polowych w porównaniu z ośmioma lub więcej wymaganymi przy użyciu krzemu. To przekłada się na znacznie mniejszy obszar na chipie. Co więcej, tranzystory grafenowe mogą pracować z prędkością ponad 400 GHz.

Wszystko to przekłada się na system, który znacznie przewyższa krzem. Mówią, że wydajność jest o kilka rzędów wielkości wyższa niż w przypadku jakichkolwiek zgłoszonych lub nawet przewidywanych obwodów skalowanych.

Oczywiście, ktoś będzie musiał naprawdę zbudować i przetestować te urządzenia, zanim ten pomysł zyskuje popularność. Ale podejście zespołu Riverside oferuje nieszablonowe i kreatywne rozwiązanie problemu, który od jakiegoś czasu spędza sen z powiek inżynierom grafenu.

Możliwe, że ujemna odporność grafenu może zapewnić im sen upiększający, którego tak bardzo potrzebują.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1308.2931 : Obwody logiczne nie oparte na grafenie

ukryć