Hur man räddar den oroliga grafentransistorn

Skriften finns på väggen för silikonchippet. Transistorer har krympt under det senaste halvseklet men de kan inte bli mindre för alltid. De flesta branschkunniga tror att nedskalningen av kiselchipstekniken inte kan sträcka sig mycket längre än till 2026. Den stora frågan är förstås vad som kommer att ersätta den.

En möjlighet är grafen, som olika team runt om i världen har använt för att tillverka enormt snabba transistorer. Förra året klockade ett team en grafentransistor på coola 427 GHz. Så du kan bli förlåten för att tro att grafen är den perfekta kiselersättningen.

Inte så fort. Det finns ett betydande problem med grafen som gör det svårt att använda i transistorer – det har inget bandgap.

Det betyder att det inte finns något energiområde i grafen där elektrontillstånd inte kan existera. Eller med andra ord, det är omöjligt att stänga av grafen. Och för en transistor innebär det allvarliga problem.

Idag säger Guanxiong Liu och kompisar vid University of California, Riverside, att de har hittat en väg runt detta som gör att grafentransistorer utan bandgap kan fungera på ett helt annat sätt än konventionella switchar. De erhållna resultaten presenterar en konceptuell förändring i grafenforskningen och indikerar en alternativ väg för grafens tillämpningar i informationsbehandling, säger de.

Varje fast material har sina egna karakteristiska energiband där elektroner kan flöda för att bilda en ledare eller hindras från att flöda för att bilda en isolator. I en halvledare kan elektroner inte flöda med låg energi och därför beter sig materialet som en isolator. En relativt liten mängd energi kan dock trycka in elektroner i det så kallade ledningsbandet där de flyter fritt och bildar en ledare.

Energiskillnaden mellan dessa isolerande och ledande tillstånd är bandgapet och förmågan att växla mellan ett tillstånd och det andra är transistorns definierande karaktär.

Problemet med grafen är att det inte har något bandgap; elektroner kan flöda vid vilken energi som helst. Så grafeningenjörernas huvudfokus har varit att hitta sätt att skapa ett artificiellt bandgap med metoder som att applicera elektriska fält, dopa med atomer eller genom att sträcka och klämma materialet.

Dessa tillvägagångssätt har mött blygsam framgång. Praktiska digitala kretsar kräver ett bandgap i storleksordningen 1 eV vid rumstemperatur. Men de bästa ansträngningarna med grafen har producerat blygsamma bandluckor på några hundra meV.

Även då har detta kommit till en allvarlig kostnad. De bästa grafentransistorerna är enormt snabba men de sprider energi som om det inte finns någon morgondag och läcker ström som vatten genom en såll.

Nu har Liu och co kommit på ett helt annat tillvägagångssätt. Vi undviker medvetet alla försök att artificiellt inducera ett energiband, vilket skulle göra grafen mer kiselliknande, säger de. Istället förlitar de sig på ett annat fenomen som kallas negativt motstånd för att skapa transistorliknande beteende.

Negativt motstånd är det kontraintuitiva fenomenet där en ström som kommer in i ett material får spänningen över det att sjunka. Olika grupper, inklusive denna vid Riverside, har visat att grafen uppvisar negativ resistens under vissa omständigheter.

Deras idé är att ta en standardgrafen fälteffekttransistor och hitta de omständigheter under vilka den uppvisar negativt motstånd (eller negativt differentiellt motstånd, som de kallar det). De använder sedan spänningssänkningen, som en sorts switch, för att utföra logik.

Faktum är att det huvudsakliga bidraget från denna artikel är att visa hur flera grafenfälteffekttransistorer kan kombineras och manipuleras på ett sätt som producerar konventionella logiska grindar.

Och resultaten är lovande. Liu och co visar effektiviteten av deras tillvägagångssätt genom att designa en grafenbaserad krets som kan matcha mönster och visa att den har flera viktiga fördelar jämfört med kiselbaserade versioner.

Till att börja med kan Liu och co bygga elementära XOR-grindar av endast tre grafenfälteffekttransistorer jämfört med de åtta eller fler som krävs med kisel. Det leder till en betydligt mindre yta på ett chip. Dessutom kan grafentransistorer arbeta i hastigheter över 400 GHz.

Allt detta leder till ett system som dramatiskt överträffar kisel. De säger att prestandan är flera storleksordningar högre än för alla rapporterade eller till och med projicerade skalade kretsar.

Naturligtvis kommer någon faktiskt att behöva bygga och testa dessa enheter på riktigt innan den här idén kan få stor spridning. Men Riverside-teamets tillvägagångssätt erbjuder en okonventionell och kreativ lösning på ett problem som har gett grafeningenjörer sömnlösa nätter under en tid.

Det är bara möjligt att grafens negativa motstånd kan ge dem den skönhetssömn de så väl behöver.

Ref: arxiv.org/abs/1308.2931 : Grafenbaserade icke-booleska logiska kretsar

Dölj