Kā saglabāt traucēto grafēna tranzistoru

Uz sienas ir uzraksts silīcija mikroshēmai. Tranzistori ir samazinājušies pēdējo pusgadsimtu, bet tie nevar kļūt mazāki mūžīgi. Lielākā daļa nozares ekspertu domā, ka silīcija mikroshēmu tehnoloģijas samazināšana nevar ilgt daudz tālāk par 2026. gadu. Lielais jautājums, protams, ir, kas to aizstās.

Viena iespēja ir grafēns, ko dažādas komandas visā pasaulē izmantojušas, lai izgatavotu ļoti ātrus tranzistorus. Pagājušajā gadā viena komanda grafēna tranzistoru veica ar vēsu 427 GHz frekvenci. Tāpēc jūs varētu piedot, ka domājat, ka grafēns ir ideāls silīcija aizstājējs.

Ne tik ātri. Grafēnam ir būtiska problēma, kas apgrūtina tā izmantošanu tranzistoros — tam nav joslas spraugas.

Tas nozīmē, ka grafēnā nav enerģijas diapazona, kurā nevarētu pastāvēt elektronu stāvokļi. Citiem vārdiem sakot, nav iespējams izslēgt grafēnu. Un tranzistoram tas rada nopietnas problēmas.

Šodien Guanxiong Liu un draugi Kalifornijas Universitātē, Riversaidā, saka, ka ir atraduši veidu, kā to novērst, kas ļauj grafēna tranzistoriem bez joslas atstarpes darboties pilnīgi savādāk nekā parastie slēdži. Iegūtie rezultāti atspoguļo konceptuālas izmaiņas grafēna izpētē un norāda uz alternatīvu ceļu grafēna pielietošanai informācijas apstrādē, viņi saka.

Katram cietam materiālam ir savas raksturīgās enerģijas joslas, kurās elektroni var plūst, veidojot vadītāju, vai tiek liegta plūsma, veidojot izolatoru. Pusvadītājā elektroni nevar plūst ar zemu enerģiju, tāpēc materiāls darbojas kā izolators. Tomēr salīdzinoši neliels enerģijas daudzums var iespiest elektronus tā sauktajā vadīšanas joslā, kur tie brīvi plūst, veidojot vadītāju.

Enerģijas atšķirība starp šiem izolācijas un vadošajiem stāvokļiem ir joslas sprauga, un spēja pārslēgties starp vienu stāvokli uz otru ir tranzistora raksturīgā īpašība.

Grafēna problēma ir tāda, ka tam nav joslu spraugas; elektroni var plūst ar jebkuru enerģiju. Tāpēc grafēna inženieru galvenais mērķis ir atrast veidus, kā izveidot mākslīgu joslu spraugu, izmantojot tādas metodes kā elektrisko lauku pielietošana, dopings ar atomiem vai materiāla stiepšana un saspiešana.

Šīs pieejas ir guvušas nelielus panākumus. Praktiskām digitālajām shēmām istabas temperatūrā ir nepieciešama diapazona sprauga aptuveni 1 eV. Taču vislabākie centieni ar grafēnu ir radījuši nelielas joslas spraugas dažos simtos meV.

Pat tad tas ir maksājis nopietnas izmaksas. Labākie grafēna tranzistori ir ļoti ātri, taču tie izkliedē enerģiju tā, it kā rītdienas nebūtu, un izplūst strāva kā ūdens caur sietu.

Tagad Liu un citi ir izdomājuši pavisam citu pieeju. Viņi saka, ka mēs apzināti izvairāmies no jebkādiem mēģinājumiem mākslīgi izraisīt enerģijas joslu, kas padarītu grafēnu līdzīgāku silīcijam. Tā vietā viņi paļaujas uz citu parādību, ko sauc par negatīvo pretestību, lai radītu tranzistoriem līdzīgu uzvedību.

Negatīvā pretestība ir pretintuitīva parādība, kurā strāva, kas nonāk materiālā, izraisa sprieguma kritumu tajā. Dažādas grupas, tostarp šī Riverside, ir parādījušas, ka grafēns noteiktos apstākļos demonstrē negatīvu pretestību.

Viņu ideja ir ņemt standarta grafēna lauka efekta tranzistoru un atrast apstākļus, kādos tas demonstrē negatīvu pretestību (vai negatīvu diferenciālo pretestību, kā viņi to sauc). Pēc tam viņi izmanto sprieguma kritumu, piemēram, sava veida slēdzi, lai veiktu loģiku.

Faktiski šī raksta galvenais ieguldījums ir parādīt, kā vairākus grafēna lauka efekta tranzistorus var apvienot un manipulēt tā, lai radītu parastos loģiskos vārtus.

Un rezultāti ir daudzsološi. Liu un kolēģi demonstrē savas pieejas efektivitāti, izstrādājot uz grafēnu balstītu shēmu, kas var saskaņot modeļus un parādīt, ka tai ir vairākas svarīgas priekšrocības salīdzinājumā ar silīcija bāzes versijām.

Sākumā Liu un co var izveidot elementārus XOR vārtus tikai no trim grafēna lauka efekta tranzistoriem, salīdzinot ar astoņiem vai vairāk, kas nepieciešami, izmantojot silīciju. Tas nozīmē ievērojami mazāku mikroshēmas laukumu. Turklāt grafēna tranzistori var darboties ar ātrumu, kas pārsniedz 400 GHz.

Tas viss pārvēršas sistēmā, kas ievērojami pārspēj silīciju. Viņi saka, ka veiktspēja ir par vairākām kārtām augstāka nekā jebkurām ziņotajām vai pat prognozētajām mērogotajām shēmām.

Protams, kādam šīs ierīces patiešām būs jāizveido un jātestē, lai šī ideja varētu iegūt plašu vilci. Taču Riversaidas komandas pieeja piedāvā netradicionālu un radošu risinājumu problēmai, kas jau kādu laiku ir sagādājusi grafēna inženieriem bezmiega naktis.

Ir tikai iespējams, ka grafēna negatīvā pretestība var dot viņiem tik ļoti nepieciešamo skaistuma miegu.

Atsauce: arxiv.org/abs/1308.2931 : uz grafēnu balstītas nebūla loģikas shēmas

paslēpties