211service.com
Hoe de verontruste grafeentransistor te redden?
Het schrift is op de muur voor de siliciumchip. Transistoren zijn de afgelopen halve eeuw aan het krimpen, maar ze kunnen niet voor altijd kleiner worden. De meeste experts in de sector denken dat de schaalverkleining van siliciumchiptechnologie niet veel verder kan reiken dan 2026. De grote vraag is natuurlijk wat ervoor in de plaats zal komen.
Een mogelijkheid is grafeen, waarmee verschillende teams over de hele wereld enorm snelle transistors hebben gemaakt. Vorig jaar klokte een team een grafeentransistor op een koele 427 GHz. Je zou dus kunnen denken dat grafeen de perfecte vervanging van silicium is.
Niet zo snel. Er is een groot probleem met grafeen dat het moeilijk maakt om het in transistors te gebruiken: het heeft geen bandgap.
Dat betekent dat er geen energiebereik in grafeen is waarin elektronentoestanden niet kunnen bestaan. Of met andere woorden, het is onmogelijk om grafeen uit te schakelen. En voor een transistor levert dat serieuze problemen op.
Tegenwoordig zeggen Guanxiong Liu en vrienden van de Universiteit van Californië, Riverside, dat ze een manier hebben gevonden om dit te omzeilen waardoor grafeentransistors zonder bandgap op een geheel andere manier kunnen werken dan conventionele schakelaars. De verkregen resultaten presenteren een conceptuele verandering in grafeenonderzoek en geven een alternatieve route aan voor de toepassingen van grafeen in informatieverwerking, zeggen ze.
Elk vast materiaal heeft zijn eigen karakteristieke energiebanden waarin elektronen kunnen stromen om een geleider te vormen of worden verhinderd om te stromen om een isolator te vormen. In een halfgeleider kunnen elektronen niet stromen bij lage energie en dus gedraagt het materiaal zich als een isolator. Een relatief kleine hoeveelheid energie kan echter elektronen in de zogenaamde geleidingsband duwen, waar ze vrij stromen en een geleider vormen.
Het energieverschil tussen deze isolerende en geleidende toestanden is de bandafstand en het vermogen om tussen de ene toestand en de andere te schakelen is het bepalende kenmerk van de transistor.
Het probleem met grafeen is dat het geen band gap heeft; elektronen kunnen bij elke energie stromen. Dus de belangrijkste focus van grafeeningenieurs was om manieren te vinden om een kunstmatige bandkloof te creëren met behulp van methoden zoals het toepassen van elektrische velden, doping met atomen of door het materiaal uit te rekken en in te drukken.
Deze benaderingen hebben een bescheiden succes gehad. Praktische digitale schakelingen vereisen een band gap in de orde van 1 eV bij kamertemperatuur. Maar de beste inspanningen met grafeen hebben geleid tot bescheiden bandgaten in de paar honderd meV.
Zelfs dan heeft dit een serieuze prijs met zich meegebracht. De beste grafeentransistors zijn enorm snel, maar ze verdrijven energie alsof er geen morgen is en lekken stroom als water door een zeef.
Nu hebben Liu en co een heel andere aanpak bedacht. We vermijden opzettelijk elke poging om kunstmatig een energieband te induceren, wat grafeen meer siliciumachtig zou maken, zeggen ze. In plaats daarvan vertrouwen ze op een ander fenomeen dat negatieve weerstand wordt genoemd om transistorachtig gedrag te creëren.
Negatieve weerstand is het contra-intuïtieve fenomeen waarbij een stroom die een materiaal binnenkomt ervoor zorgt dat de spanning erover daalt. Verschillende groepen, waaronder deze bij Riverside, hebben aangetoond dat grafeen onder bepaalde omstandigheden negatieve weerstand vertoont.
Hun idee is om een standaard grafeen-veldeffecttransistor te nemen en de omstandigheden te vinden waarin deze negatieve weerstand vertoont (of negatieve differentiële weerstand, zoals ze het noemen). Vervolgens gebruiken ze de dip in spanning, als een soort schakelaar, om logica uit te voeren.
In feite is de belangrijkste bijdrage van dit artikel om te laten zien hoe verschillende grafeen-veldeffecttransistoren kunnen worden gecombineerd en gemanipuleerd op een manier die conventionele logische poorten produceert.
En de resultaten zijn veelbelovend. Liu en co demonstreren de effectiviteit van hun aanpak door een op grafeen gebaseerd circuit te ontwerpen dat patronen kan matchen en laten zien dat het verschillende belangrijke voordelen heeft ten opzichte van op silicium gebaseerde versies.
Om te beginnen kunnen Liu en co elementaire XOR-poorten bouwen uit slechts drie grafeen-veldeffecttransistoren in vergelijking met de acht of meer die nodig zijn met silicium. Dat vertaalt zich in een aanzienlijk kleiner gebied op een chip. Bovendien kunnen grafeentransistors werken met snelheden van meer dan 400 GHz.
Dat alles vertaalt zich in een systeem dat aanzienlijk beter presteert dan silicium. Ze zeggen dat de prestaties verschillende ordes van grootte hoger zijn dan voor gerapporteerde of zelfs geprojecteerde geschaalde circuits.
Natuurlijk zal iemand deze apparaten echt moeten bouwen en testen voordat dit idee wijdverbreide grip kan krijgen. Maar de aanpak van het Riverside-team biedt een onconventionele en creatieve oplossing voor een probleem dat grafeeningenieurs al geruime tijd slapeloze nachten bezorgt.
Het is gewoon mogelijk dat de negatieve weerstand van grafeen hen de schoonheidsslaap kan geven die ze zo hard nodig hebben.
Referentie: arxiv.org/abs/1308.2931 : Op grafeen gebaseerde niet-booleaanse logische circuits
