Forskare vid Chalmers tekniska högskola (Sverige) har för första gången demonstrerat en ny subharmonisk grafen-FET-mixer vid mikrovågsfrekvenser. Mixern ger nya möjligheter inom framtidens elektronik, eftersom det möjliggör kompakt kretsteknik, potential att nå höga frekvenser och integration med kiselteknologi.
En mixer är en viktig byggsten i alla elektroniska system – en enhet som kombinerar två eller flera elektroniska signaler till en eller två sammansatta utsignaler. Framtida applikationer vid THz-frekvenser som radarsystem för säkerhet och säkerhet, radioastronomi, processövervakning och miljöövervakning kommer att kräva stora arrayer av mixers för högupplöst bildbehandling och höghastighetsdatainsamling. Sådana mixermatriser eller multipixelmottagare behöver nya typer av enheter som inte bara är känsliga utan också strömsnåla och kompakta.
Förmågan i grafen att växla mellan hål- eller elektronbärartransport via fälteffekten möjliggör en unik nisch för grafen för RF IC-tillämpningar. Tack vare denna symmetriska elektriska egenskap, forskarna på Chalmers har lyckats bygga den subharmoniska resistiva G-FET-blandaren med endast en transistor. Därav, inga extra matningskretsar krävs, vilket gör blandarkretsen mer kompakt till skillnad från konventionella blandare. Som en konsekvens, den nya typen av mixer kräver mindre wafer-area när den är konstruerad och kan öppna upp för avancerade sensorarrayer, till exempel för avbildning vid millimetervågor och till och med submillimetervågor när G-FET-tekniken utvecklas.
Schematisk bild av en subharmonisk grafen-FET-blandare. LO- och RF-signalerna matas till gate- och dräneringsterminalerna, respektive, och IF-signalen extraheras från dräneringsterminalen.
"Blandarens prestanda kan förbättras genom att ytterligare optimera kretsen, samt att tillverka en G-FET-enhet med ett högre på/av-strömförhållande", säger Jan Stake, professor i forskargruppen. "Att använda en G-FET i denna nya topologi gör det möjligt för oss att utöka dess funktion till högre frekvenser, och därigenom utnyttjar grafenens exceptionella egenskaper. Detta banar väg för framtida tekniker som fungerar vid extremt höga frekvenser."
Förutom att möjliggöra kompakta kretsar, G-FET ger potential att nå höga frekvenser tack vare den höga hastigheten i grafen, och det faktum att en subharmonisk mixer bara kräver halva lokaloscillatorfrekvensen (LO) jämfört med en fundamental mixer. Denna egenskap är attraktiv speciellt vid höga frekvenser (THz) där det saknas källor som ger tillräcklig LO-effekt.
Dessutom, G-FET kan integreras med silikonteknologi. Till exempel, den är CMOS-kompatibel (Complementary Metal Oxide Semiconductor) och kan bland annat användas i CMOS-elektronik för backend-behandling på ett enda chip.
