Ny type grafen-baseret transistor vil øge processorernes clockhastighed

Forskere har udviklet en ny type grafen-baseret transistor, og modellering viser, at den har et ultralavt strømforbrug sammenlignet med andre lignende transistorenheder. Resultaterne er blevet offentliggjort i et papir i tidsskriftet Videnskabelige rapporter . Den vigtigste effekt af at reducere strømforbruget er, at det muliggør øgede processorklokhastigheder - ifølge beregninger, så meget som to størrelsesordener højere.

"Pointen handler ikke så meget om at spare elektricitet - vi har masser af elektrisk energi. Ved en lavere effekt, elektroniske komponenter opvarmes mindre, og det betyder, at de er i stand til at arbejde ved en højere klokkehastighed - ikke en gigahertz, men 10 f.eks. eller endda 100, " siger Dmitry Svintsov, lederen af ​​MIPT's Laboratory of Optolectronics and Two-Dimensional Materials.

At bygge transistorer, der er i stand til at skifte ved lave spændinger (mindre end 0,5 volt), er en af ​​moderne elektroniks største udfordringer. Tunneltransistorer er de mest lovende kandidater til at løse dette problem. I modsætning til konventionelle transistorer, hvor elektroner "springer" gennem energibarrieren, i tunneltransistorer, elektronerne "filtrerer" gennem barrieren via kvantetunneleffekten. Imidlertid, i de fleste halvledere, tunnelstrømmen er meget lille, forhindre transistorer, der er baseret på disse materialer, i at blive brugt i rigtige kredsløb.

Artiklens forfattere, forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi (MIPT), Institut for Fysik og Teknologi RAS, og Tohoku University (Japan), foreslået et nyt design til en tunneltransistor baseret på tolagsgrafen, og ved hjælp af modellering, de beviste, at dette materiale er en ideel platform til lavspændingselektronik.

grafen, som blev skabt af MIPT alumni Sir Andre Geim og Sir Konstantin Novoselov, er en 2D, atomare bikagegitter af kulstofatomer. Som et 2D-materiale, dens egenskaber er radikalt forskellige fra 3D-grafit.

"Tolagsgrafen er to ark grafen, der er knyttet til hinanden med almindelige kovalente bindinger. Det er lige så nemt at lave som monolagsgrafen, men på grund af den unikke struktur af dets elektroniske bånd, det er et meget lovende materiale til lavspændingstunnelafbrydere, " siger Svintsov.

Energiniveaubånd af tolagsgrafen har form af en "mexicansk hat" (fig. 1A). Det viser sig, at tætheden af ​​elektroner, der kan optage rum tæt på kanterne af den "mexicanske hat", tenderer mod uendelighed - dette kaldes en van Hove-singularitet. Med påføring af selv en meget lille spænding til gate af en transistor, et enormt antal elektroner ved kanterne af den "mexicanske hat" begynder at tunnelere på samme tid. Dette forårsager en skarp ændring i strøm fra påføring af en lille spænding, og denne lave spænding er årsagen til det rekordlave strømforbrug.

I deres papir, forskerne påpeger, at indtil for nylig, van Hove-singulariteten var knap mærkbar i tolagsgrafen - kanterne på den "mexicanske hat" var utydelige på grund af den lave kvalitet af prøverne. Moderne grafenprøver på hexagonale bornitrid (hBN) substrater er af meget bedre kvalitet, og udtalte van Hove-singulariteter er blevet eksperimentelt bekræftet i prøverne ved hjælp af scanningprobemikroskopi og infrarød absorptionsspektroskopi.

Et vigtigt træk ved den foreslåede transistor er brugen af ​​"elektrisk doping" (felteffekten) til at skabe et tunnel-p-n-kryds. Den komplekse proces med kemisk doping, påkrævet, når man bygger transistorer på 3D-halvledere, er ikke nødvendig (og kan endda være skadelig) for tolagsgrafen. Inden for elektrisk doping, yderligere elektroner (eller huller) forekommer i grafen på grund af tiltrækningen mod tæt placerede dopingporte.

Under optimale forhold, en grafentransistor kan ændre strømmen i et kredsløb 10, 000 gange med et gate-spændingssving på kun 150 millivolt.

"Det betyder, at transistoren kræver mindre energi til at skifte, chips vil kræve mindre energi, mindre varme vil blive genereret, mindre kraftfulde kølesystemer vil være nødvendige, og urhastigheder kan øges uden at bekymre dig om, at den overskydende varme vil ødelægge chippen, " siger Svintsov.