Sådan gemmer du den urolige grafentransistor

Skriften er på væggen til siliciumchippen. Transistorer har krympet i det sidste halve århundrede, men de kan ikke blive mindre for evigt. De fleste industrieksperter mener, at nedskaleringen af ​​siliciumchipteknologi ikke kan strække sig meget ud over 2026. Det store spørgsmål er selvfølgelig, hvad der skal erstatte den.

En mulighed er grafen, som forskellige teams verden over har brugt til at lave enormt hurtige transistorer. Sidste år klokkede et hold en grafentransistor ved en cool 427 GHz. Så du kan blive tilgivet for at tro, at grafen er den perfekte erstatning for silicium.

Ikke så hurtigt. Der er et betydeligt problem med grafen, der gør det vanskeligt at bruge i transistorer - det har ingen båndgab.

Det betyder, at der ikke er noget energiområde i grafen, hvor elektrontilstande ikke kan eksistere. Eller med andre ord, det er umuligt at slukke for grafen. Og for en transistor betyder det alvorlige problemer.

I dag siger Guanxiong Liu og venner ved University of California, Riverside, at de har fundet en vej rundt om dette, der gør det muligt for grafentransistorer uden båndgab at arbejde på en helt anden måde end konventionelle switches. De opnåede resultater præsenterer en konceptuel ændring i grafenforskningen og indikerer en alternativ rute for grafens anvendelser i informationsbehandling, siger de.

Ethvert fast materiale har sine egne karakteristiske energibånd, hvori elektroner kan flyde for at danne en leder eller forhindres i at flyde for at danne en isolator. I en halvleder kan elektroner ikke flyde ved lav energi, og derfor opfører materialet sig som en isolator. Men en relativt lille mængde energi kan skubbe elektroner ind i det såkaldte ledningsbånd, hvor de flyder frit og danner en leder.

Energiforskellen mellem disse isolerende og ledende tilstande er båndgabet, og evnen til at skifte mellem en tilstand og den anden er den definerende karakteristik af transistoren.

Problemet med grafen er, at det ikke har noget båndgab; elektroner kan flyde ved enhver energi. Så grafeningeniørernes hovedfokus har været at finde måder at skabe et kunstigt båndgab ved hjælp af metoder som at anvende elektriske felter, doping med atomer eller ved at strække og klemme materialet.

Disse tilgange har haft beskeden succes. Praktiske digitale kredsløb kræver et båndgab i størrelsesordenen 1 eV ved stuetemperatur. Men den bedste indsats med grafen har produceret beskedne båndgab i de få hundrede meV.

Selv da har det kostet alvorlige. De bedste grafentransistorer er enormt hurtige, men de spreder energi, som om der ikke er nogen i morgen og lækker strøm som vand gennem en si.

Nu er Liu og co kommet med en helt anden tilgang. Vi undgår med vilje ethvert forsøg på kunstigt at inducere et energibånd, som ville gøre grafen mere siliciumagtigt, siger de. I stedet er de afhængige af et andet fænomen kaldet negativ modstand for at skabe transistorlignende adfærd.

Negativ modstand er det kontraintuitive fænomen, hvor en strøm, der kommer ind i et materiale, får spændingen over det til at falde. Forskellige grupper, herunder denne ved Riverside, har vist, at grafen udviser negativ modstand under visse omstændigheder.

Deres idé er at tage en standard grafen-felteffekttransistor og finde de omstændigheder, hvorunder den viser negativ modstand (eller negativ differentialmodstand, som de kalder det). De bruger derefter faldet i spændingen, som en slags switch, til at udføre logik.

Faktisk er hovedbidraget fra dette papir at vise, hvordan flere grafen-felteffekttransistorer kan kombineres og manipuleres på en måde, der producerer konventionelle logiske porte.

Og resultaterne er lovende. Liu og co demonstrerer effektiviteten af ​​deres tilgang ved at designe et grafenbaseret kredsløb, der kan matche mønstre og vise, at det har flere vigtige fordele i forhold til siliciumbaserede versioner.

Til en start kan Liu og co bygge elementære XOR-porte ud af kun tre grafen-felteffekttransistorer sammenlignet med de otte eller flere, der kræves ved brug af silicium. Det udmønter sig i et væsentligt mindre område på en chip. Desuden kan grafentransistorer fungere ved hastigheder på over 400 GHz.

Alt dette udmønter sig i et system, der dramatisk overgår silicium. De siger, at ydeevnen er flere størrelsesordener højere end for nogen rapporterede eller endda projekterede skalerede kredsløb.

Selvfølgelig vil nogen faktisk skulle bygge og teste disse enheder for alvor, før denne idé kan vinde udbredt trækkraft. Men Riverside-teamets tilgang tilbyder en ukonventionel og kreativ løsning på et problem, der har givet grafeningeniører søvnløse nætter i nogen tid.

Det er bare muligt, at grafens negative modstand kunne give dem den skønhedssøvn, de så hårdt har brug for.

Ref: arxiv.org/abs/1308.2931 : Grafen-baserede ikke-booleske logiske kredsløb

skjule