211service.com
Grafentransistorer har tredubbla funktioner i trådlös kommunikation
Grafens potential upptäcktes tidigare denna månad när de som först studerade det i labbet vann 2010 års Nobelpris i fysik. Men forskare har precis börjat ta reda på hur man kan dra nytta av det nya kolmaterialet i elektroniska enheter.
Trippeltransistor: Enkla grafentransistorer som denna kan fås att fungera i tre lägen och utföra funktioner som vanligtvis kräver flera transistorer i en krets.
Forskare har redan gjort blixtrande snabba grafentransistorer. Nu har de använt grafen för att göra en transistor som kan växlas mellan tre olika driftlägen, som i konventionella kretsar måste utföras av tre separata transistorer. Dessa konfigurerbara transistorer kan leda till mer kompakta chips för att skicka och ta emot trådlösa signaler.
Chips som använder färre transistorer samtidigt som de bibehåller samma funktioner kan vara billigare, använda mindre energi och frigöra utrymme inuti bärbar elektronik som smarta telefoner, där utrymmet är trångt. Den nya grafentransistorn är en analog enhet, av den typ som används för trådlös kommunikation i Bluetooth-headset och radiofrekvensidentifiering (RFID)-taggar.
Grafens perfekta struktur på atomnivå ger smidig segling för elektroner, och materialet leder elektroner bättre än något annat material gör vid rumstemperatur. Hittills har det använts för att göra transistorer som växlar med cirka 100 gigahertz, eller 100 miljarder gånger per sekund, 10 gånger snabbare än de bästa kiseltransistorerna; det förutspås att materialet kan göras till transistorer som är till och med 1 000 gånger snabbare än så här. Och eftersom grafen är slät och platt bör den vara kompatibel med chiptillverkningsutrustningen på halvledarfabriker.
Men grafen erbjuder andra egenskaper förutom att bara vara en bra ledare av elektroner, säger Kartik Mohanram , professor i el- och datateknik vid Rice University. Det är också möjligt att ändra beteendet hos en grafentransistor i farten, något som inte kan göras med konventionella kiseltransistorer. Transistorerna som utgör konventionella logiska kretsar av kisel kan bara bete sig på ett av två sätt, kallade n för negativt eller p för positivt - de styr antingen flödet av elektroner eller flödet av hål eller positiva laddningar. Huruvida en konventionell transistor är av p-typ eller n-typ bestäms under tillverkningen. Men grafen är ambipolärt: det kan leda både positiva och negativa laddningar.
Mohanram har designat en transistor som kan ändras, och har tillverkat och testat den med Alexander balandin , professor i materialvetenskap och teknik vid University of California, Riverside. Genom att ändra spänningen som appliceras på ett ark grafen med hjälp av tre elektriska grindar, kunde de växla grafenet mellan tre olika lägen: n-typ, p-typ och ett läge där det ledde positiv och negativ laddning lika. Denna trippelmodstransistor fungerar som en förstärkare och kan användas för att koda en dataström genom att ändra frekvensen och fasen för en signal. Förändringar i fas och frekvens används för att koda data i telekommunikationsenheter som Bluetooth-headset och RFID-taggar.
Mohanram och Balandins enhet är den första som kan göra denna nivå av signalbehandling i en enda transistor. Vanligtvis kräver sådan signalering flera transistorer. Deras transistor är en proof-of-concept-enhet, men Mohanram säger att den visar vad som kan vara möjligt med grafen.
Andra grupper har visat multimodtransistorer med grafen, kolnanorör och organiska molekyler. Forskarna säger att den nya grafentrippellägeskretsen kan styras bättre än dessa enheter.
Styrning är avgörande när man designar transistorer som är ambipolära, säger Subhasish Mitra , professor i elektroteknik och datavetenskap vid Stanford University. Folk brukade betrakta ambipolaritet som en dålig sak eftersom det vanligtvis är svårt att kontrollera hur en ambipolär transistor kommer att bete sig, vilket gör det svårt att använda dem alls, säger han.
Mitra noterar att fördelarna som visas på enkeltransistornivån nu måste demonstreras i system. De elektriska grindarna som behövs för att kontrollera beteendet hos arrayer av ambipolära transistorer kan sluta med att göra kretsar mycket svårare att designa och tillverka. Nu när de har visat att de kan det här måste vi se vilken nytta det ger på systemnivå, säger han.
Balandin och Mohanram arbetar nu med grafenkretsar för att testa fördelarna med ambipolaritet på en högre nivå. De ändrar också själva transistorernas design för att göra dem mer effektiva.
Ingen har ännu publicerat några artiklar om skapandet av integrerade kretsar gjorda av grafentransistorer, men Balandin säger att forskare nu är på väg att sätta ihop allt. När materialvetare och enhetstillverkare arbetar med att övervinna utmaningarna med att arbeta med grafen, säger Mohanram, bör kretsdesigners hålla jämna steg med dem och tänka kreativt om ambipolaritet och andra möjligheter som öppnas av grafen och andra nanomaterial. Ny design och nya sätt att tänka kan släpa efter utvecklingen av nya material, säger han.