211service.com
Grafeentransistoren doen driedubbele taak in draadloze communicatie
Het potentieel van grafeen werd eerder deze maand erkend toen degenen die het voor het eerst in het laboratorium bestudeerden, de Nobelprijs voor de natuurkunde 2010 wonnen. Maar onderzoekers beginnen er net achter te komen hoe ze kunnen profiteren van het nieuwe koolstofmateriaal in elektronische apparaten.
Triple transistor: Enkele grafeentransistors zoals deze kunnen worden gemaakt om in drie modi te werken en functies uit te voeren waarvoor meestal meerdere transistors in een circuit nodig zijn.
Onderzoekers hebben al razendsnelle grafeentransistors gemaakt. Nu hebben ze grafeen gebruikt om een transistor te maken die kan worden geschakeld tussen drie verschillende bedrijfsmodi, die in conventionele circuits moeten worden uitgevoerd door drie afzonderlijke transistors. Deze configureerbare transistors kunnen leiden tot compactere chips voor het verzenden en ontvangen van draadloze signalen.
Chips die minder transistors gebruiken en toch dezelfde functies behouden, kunnen goedkoper zijn, minder energie verbruiken en ruimte vrijmaken in draagbare elektronica zoals smartphones, waar de ruimte krap is. De nieuwe grafeentransistor is een analoog apparaat, van het type dat wordt gebruikt voor draadloze communicatie in Bluetooth-headsets en RFID-tags (radiofrequentie-identificatie).
De perfecte structuur van grafeen op atomair niveau zorgt voor soepel zeilen voor elektronen, en het materiaal geleidt elektronen beter dan enig ander materiaal bij kamertemperatuur. Tot nu toe is het gebruikt om transistors te maken die schakelen met ongeveer 100 gigahertz, of 100 miljard keer per seconde, 10 keer sneller dan de beste siliciumtransistors; er is voorspeld dat het materiaal kan worden gemaakt in transistors die zelfs 1000 keer sneller zijn dan dit. En omdat grafeen glad en vlak is, zou het compatibel moeten zijn met de apparatuur voor het maken van chips in halfgeleiderfabrieken.
Maar grafeen biedt andere eigenschappen dan alleen een geweldige geleider van elektronen te zijn, zegt Kartik Mohanram , hoogleraar elektrische en computertechniek aan de Rice University. Het is ook mogelijk om het gedrag van een grafeentransistor on-the-fly te veranderen, iets wat niet mogelijk is met conventionele siliciumtransistors. De transistors waaruit conventionele siliciumlogicacircuits bestaan, kunnen zich slechts op twee manieren gedragen, n genoemd voor negatief of p voor positief - ze regelen ofwel de stroom van elektronen of de stroom van gaten, of positieve ladingen. Of een conventionele transistor p-type of n-type is, wordt tijdens de fabricage bepaald. Maar grafeen is ambipolair: het kan zowel positieve als negatieve ladingen geleiden.
Mohanram heeft een transistor ontworpen die kan worden veranderd, en heeft deze gemaakt en getest met Alexander Balandin , hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Californië, Riverside. Door de spanning op een grafeenvel te veranderen met behulp van drie elektrische poorten, konden ze het grafeen schakelen tussen drie verschillende modi: n-type, p-type en een modus waarin het positieve en negatieve lading gelijkelijk geleidt. Deze triple-mode transistor werkt als een versterker en kan worden gebruikt om een datastroom te coderen door de frequentie en de fase van een signaal te veranderen. Veranderingen in fase en frequentie worden gebruikt om gegevens in telecommunicatieapparatuur zoals Bluetooth-headsets en RFID-tags te coderen.
Het apparaat van Mohanram en Balandin is het eerste dat dit niveau van signaalverwerking in een enkele transistor kan uitvoeren. Gewoonlijk vereist een dergelijke signalering meerdere transistoren. Hun transistor is een proof-of-concept-apparaat, maar Mohanram zegt dat het laat zien wat mogelijk is met grafeen.
Andere groepen hebben multimode-transistors gedemonstreerd met behulp van grafeen, koolstofnanobuizen en organische moleculen. De onderzoekers zeggen dat het nieuwe grafeen triple-mode circuit beter kan worden bestuurd dan die apparaten.
Controle is van cruciaal belang bij het ontwerpen van transistors die ambipolair zijn, zegt Subhasish Mitra , hoogleraar elektrotechniek en computerwetenschappen aan de Stanford University. Mensen beschouwden ambipolariteit als een slechte zaak omdat het doorgaans moeilijk is om te bepalen hoe een ambipolaire transistor zich zal gedragen, waardoor het moeilijk is om ze überhaupt te gebruiken, zegt hij.
Mitra merkt op dat de voordelen die op het niveau van een enkele transistor worden getoond, nu in systemen moeten worden aangetoond. De elektrische poorten die nodig zijn om het gedrag van arrays van ambipolaire transistors te regelen, kunnen het uiteindelijk veel moeilijker maken om circuits te ontwerpen en te fabriceren. Nu ze hebben laten zien dat ze dit kunnen, moeten we kijken wat het op systeemniveau oplevert, zegt hij.
Balandin en Mohanram werken nu aan grafeencircuits om de voordelen van ambipolariteit op een hoger niveau te testen. Ze veranderen ook het ontwerp van de transistors zelf om ze efficiënter te maken.
Niemand heeft nog artikelen gepubliceerd over het maken van geïntegreerde schakelingen gemaakt van grafeentransistors, maar Balandin zegt dat onderzoekers nu op het punt staan om alles samen te stellen. Terwijl materiaalwetenschappers en apparaatfabrikanten werken aan het overwinnen van de uitdagingen van het werken met grafeen, zegt Mohanram, moeten circuitontwerpers gelijke tred houden met hen en creatief nadenken over ambipolariteit en andere mogelijkheden die worden geboden door grafeen en andere nanomaterialen. Nieuwe ontwerpen en nieuwe manieren van denken kunnen achterblijven bij de ontwikkeling van nieuwe materialen, zegt hij.