Wetenschappers hebben een nieuw type op grafeen gebaseerde transistor ontwikkeld en modellering toont aan dat het een ultralaag stroomverbruik heeft in vergelijking met andere vergelijkbare transistorapparaten. De bevindingen zijn gepubliceerd in een paper in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten . Het belangrijkste effect van het verminderen van het stroomverbruik is dat het hogere kloksnelheden van de processor mogelijk maakt - volgens berekeningen, wel twee ordes van grootte hoger.

"Het gaat niet zozeer om het besparen van elektriciteit - we hebben voldoende elektrische energie. Bij een lager vermogen, elektronische componenten worden minder warm, en dat betekent dat ze met een hogere kloksnelheid kunnen werken - niet één gigahertz, maar 10 bijvoorbeeld of zelfs 100, " zegt Dmitry Svintsov, het hoofd van het MIPT-laboratorium voor opto-elektronica en tweedimensionale materialen.

Het bouwen van transistors die kunnen schakelen bij lage spanningen (minder dan 0,5 volt) is een van de grootste uitdagingen van de moderne elektronica. Tunneltransistors zijn de meest veelbelovende kandidaten om dit probleem op te lossen. In tegenstelling tot conventionele transistoren, waarin elektronen door de energiebarrière "springen", in tunneltransistors, de elektronen "filteren" door de barrière via het kwantumtunneleffect. Echter, in de meeste halfgeleiders, de tunnelstroom is erg klein, voorkomen dat transistors die op deze materialen zijn gebaseerd, in echte circuits worden gebruikt.

De auteurs van het artikel, wetenschappers van het Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT), het Instituut voor Natuurkunde en Technologie RAS, en Tohoku Universiteit (Japan), een nieuw ontwerp voorgesteld voor een tunneltransistor op basis van dubbellaags grafeen, en met behulp van modellering, ze bewezen dat dit materiaal een ideaal platform is voor laagspanningselektronica.

grafeen, die is gemaakt door MIPT-alumni Sir Andre Geim en Sir Konstantin Novoselov, is een 2D, honingraatrooster op atomaire schaal van koolstofatomen. Als een 2D-materiaal, de eigenschappen ervan zijn radicaal anders dan die van 3D-grafiet.

"Tweelaags grafeen zijn twee vellen grafeen die aan elkaar zijn bevestigd met gewone covalente bindingen. Het is net zo gemakkelijk te maken als monolaag grafeen, maar vanwege de unieke structuur van zijn elektronische bands, het is een veelbelovend materiaal voor laagspannings-tunnelingschakelaars, ", zegt Svintsov.

Energieniveaubanden van dubbellaags grafeen hebben de vorm van een "Mexicaanse hoed" (fig. 1A). Het blijkt dat de dichtheid van elektronen die ruimten dicht bij de randen van de "Mexicaanse hoed" kunnen innemen, naar het oneindige neigt - dit wordt een van Hove-singulariteit genoemd. Met de toepassing van zelfs een zeer kleine spanning op de poort van een transistor, een enorm aantal elektronen aan de randen van de "Mexicaanse hoed" begint tegelijkertijd te tunnelen. Dit veroorzaakt een scherpe stroomverandering door het aanleggen van een kleine spanning, en deze lage spanning is de reden voor het record lage stroomverbruik.

In hun krant de onderzoekers wijzen erop dat tot voor kort, de singulariteit van Van Hove was nauwelijks merkbaar in dubbellaags grafeen - de randen van de "Mexicaanse hoed" waren onduidelijk vanwege de lage kwaliteit van de monsters. Moderne grafeenmonsters op hexagonale boornitride (hBN) substraten zijn van veel betere kwaliteit, en uitgesproken Van Hove-singulariteiten zijn experimenteel bevestigd in de monsters met behulp van scanning-sondemicroscopie en infraroodabsorptiespectroscopie.

Een belangrijk kenmerk van de voorgestelde transistor is het gebruik van "elektrische doping" (het veldeffect) om een ​​tunnelende pn-overgang te creëren. Het complexe proces van chemische doping, vereist bij het bouwen van transistors op 3D-halfgeleiders, is niet nodig (en kan zelfs schadelijk zijn) voor dubbellaags grafeen. Bij elektrische doping extra elektronen (of gaten) komen voor in grafeen vanwege de aantrekkingskracht op dicht bij elkaar geplaatste dopingpoorten.

Onder optimale omstandigheden, een grafeentransistor kan de stroom in een circuit 10 veranderen, 000 keer met een poortspanningszwaai van slechts 150 millivolt.

"Dit betekent dat de transistor minder energie nodig heeft om te schakelen, chips hebben minder energie nodig, er wordt minder warmte gegenereerd, minder krachtige koelsystemen nodig zullen zijn, en kloksnelheden kunnen worden verhoogd zonder dat u zich zorgen hoeft te maken dat de overtollige warmte de chip zal vernietigen, ", zegt Svintsov.