(A) Elektronspektrum E(p) i tvåskiktsgrafen (vänster) och energiberoende för dess tillståndstäthet, DoS (höger). Vid energinivåer som motsvarar kanten på den "mexikanska hatten" tenderar DoS till oändlighet.(B) De röda områdena visar tillstånden hos elektroner som deltar i tunnling i tvåskiktsgrafen (vänster) och i en konventionell halvledare med "vanlig" parabolisk band (höger). Elektroner som kan tunnellera vid låga spänningar finns i ringen i grafen, men i halvledaren finns de bara vid den enda punkten. De streckade linjerna indikerar tunnelövergångarna. De röda linjerna indikerar banorna för tunnelelektronerna i valensbandet. Kredit:Författare till studien
Forskare har utvecklat en ny typ av grafenbaserad transistor och modellering visar att den har ultralåg strömförbrukning jämfört med andra liknande transistorenheter. Resultaten har publicerats i en tidning i tidningen Vetenskapliga rapporter . Den viktigaste effekten av att minska strömförbrukningen är att det möjliggör ökade processorklockhastigheter—enligt beräkningar, så mycket som två storleksordningar högre.
"Poängen handlar inte så mycket om att spara el - vi har gott om elektrisk energi. Vid en lägre effekt, elektroniska komponenter värms upp mindre, och det betyder att de kan arbeta med en högre klockhastighet – inte en gigahertz, men 10 till exempel eller till och med 100, säger Dmitrij Svintsov, chef för MIPT:s laboratorium för optoelektronik och tvådimensionellt material.
Att bygga transistorer som kan växla vid låga spänningar (mindre än 0,5 volt) är en av modern elektroniks största utmaningar. Tunneltransistorer är de mest lovande kandidaterna för att lösa detta problem. Till skillnad från konventionella transistorer, där elektroner "hoppar" genom energibarriären, i tunneltransistorer, elektronerna "filtrerar" genom barriären via kvanttunneleffekten. Dock, i de flesta halvledare, tunnelströmmen är mycket liten, förhindra att transistorer som är baserade på dessa material används i verkliga kretsar.
Författarna till artikeln, forskare från Moskvas institut för fysik och teknik (MIPT), Institute of Physics and Technology RAS, och Tohoku University (Japan), föreslagit en ny design för en tunneltransistor baserad på tvåskiktsgrafen, och använder modellering, de bevisade att detta material är en idealisk plattform för lågspänningselektronik.
grafen, som skapades av MIPT-alumner Sir Andre Geim och Sir Konstantin Novoselov, är en 2D, bikakegitter i atomskala av kolatomer. Som ett 2D-material, dess egenskaper skiljer sig radikalt från 3D -grafit.
Det skuggade området på 150 mV är transistorns driftsspänningsområde, vilket är mycket smalare än arbetsområdet för konventionella kiseltransistorer (500mV). Undertröskelsvängningen (lutningen av karakteristiken) för den föreslagna transistorn är också betydligt högre än den begränsande lutning som potentiellt kan erhållas från MOSFETs (metall-oxid-halvledarfälteffekttransistorer). Denna begränsande lutning visas som en prickad linje på den infällda bilden. Kredit:Studiens författare
"Dubbelskiktsgrafen är två ark grafen fästa vid varandra med vanliga kovalenta bindningar. Det är lika lätt att göra som enskiktsgrafen, men på grund av den unika strukturen hos dess elektroniska band, det är ett mycket lovande material för lågspänningstunnelbrytare, säger Svintsov.
Energinivåband av tvåskiktsgrafen har formen av en "mexikansk hatt" (fig. 1A). Det visar sig att densiteten hos elektroner som kan uppta utrymmen nära kanterna på den "mexikanska hatten" tenderar mot oändlighet - detta kallas van van Hove -singularitet. Med applicering av till och med en mycket liten spänning på gate av en transistor, ett stort antal elektroner vid kanterna av den "mexikanska hatten" börjar tunnla samtidigt. Detta orsakar en kraftig strömförändring från applicering av en liten spänning, och denna låga spänning är orsaken till den rekordlåga strömförbrukningen.
I deras tidning, forskarna påpekar att tills nyligen van Hoves singularitet var knappt märkbar i tvåskiktsgrafen - kanterna på den "mexikanska hatten" var otydliga på grund av den låga kvaliteten på proverna. Moderna grafenprover på hexagonala bornitrid (hBN) substrat är av mycket bättre kvalitet, och uttalade van Hove -singulariteter har experimentellt bekräftats i proverna med användning av skanningssondmikroskopi och infraröd absorptionsspektroskopi.
En viktig egenskap hos den föreslagna transistorn är användningen av "elektrisk dopning" (fälteffekten) för att skapa en tunnling p-n-övergång. Den komplexa processen med kemisk dopning, krävs när man bygger transistorer på 3D -halvledare, behövs inte (och kan till och med vara skadligt) för tvåskiktsgrafen. Inom elektrisk dopning, ytterligare elektroner (eller hål) förekommer i grafen på grund av attraktionen mot nära placerade dopningsgrindar.
Under optimala förhållanden, en grafentransistor kan ändra strömmen i en krets 10, 000 gånger med en grindspänningssvingning på endast 150 millivolt.
"Detta betyder att transistorn kräver mindre energi för att växla, chips kommer att kräva mindre energi, mindre värme kommer att genereras, mindre kraftfulla kylsystem kommer att behövas, och klockhastigheter kan ökas utan oro för att överskottsvärmen kommer att förstöra chipet, säger Svintsov.
