Novo tipo de transistor baseado em grafeno irá aumentar a velocidade do clock dos processadores
p (A) Espectro de elétrons E (p) em grafeno de duas camadas (à esquerda) e dependência energética de sua densidade de estados, DoS (à direita). Em níveis de energia correspondentes à borda do "chapéu mexicano", o DoS tende ao infinito. (B) As áreas vermelhas mostram os estados dos elétrons que participam do tunelamento no grafeno de duas camadas (à esquerda) e em um semicondutor convencional com parabólico "comum" bandas (direita). Elétrons que são capazes de tunelar em baixas tensões são encontrados no anel do grafeno, mas no semicondutor eles são encontrados apenas no ponto único. As linhas pontilhadas indicam as transições de tunelamento. As linhas vermelhas indicam as trajetórias dos elétrons de tunelamento na banda de valência. Crédito:Autores do estudo
p Os cientistas desenvolveram um novo tipo de transistor à base de grafeno e a modelagem demonstra que ele tem um consumo de energia ultrabaixo em comparação com outros dispositivos de transistor semelhantes. Os resultados foram publicados em um artigo na revista
Relatórios Científicos . O efeito mais importante da redução do consumo de energia é que permite o aumento da velocidade do clock do processador - de acordo com cálculos, tanto quanto duas ordens de magnitude maior. p "A questão não é tanto economizar eletricidade - temos bastante energia elétrica. Com uma potência mais baixa, componentes eletrônicos esquentam menos, e isso significa que eles são capazes de operar em uma velocidade de clock maior, não um gigahertz, mas 10 por exemplo, ou mesmo 100, "diz Dmitry Svintsov, o chefe do Laboratório de Optoeletrônica e Materiais Bidimensionais do MIPT.
p Construir transistores que sejam capazes de chavear em baixas tensões (menos de 0,5 volts) é um dos maiores desafios da eletrônica moderna. Os transistores de túnel são os candidatos mais promissores para resolver esse problema. Ao contrário dos transistores convencionais, em que os elétrons "saltam" através da barreira de energia, em transistores de túnel, os elétrons "filtram" através da barreira por meio do efeito de tunelamento quântico. Contudo, na maioria dos semicondutores, a corrente de tunelamento é muito pequena, evitando que transistores baseados nesses materiais sejam usados em circuitos reais.
p Os autores do artigo, cientistas do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou (MIPT), o Instituto de Física e Tecnologia RAS, e a Tohoku University (Japão), propôs um novo projeto para um transistor de túnel baseado em grafeno de dupla camada, e usando modelagem, eles provaram que este material é uma plataforma ideal para eletrônicos de baixa tensão.
p Grafeno, que foi criado pelos ex-alunos do MIPT Sir Andre Geim e Sir Konstantin Novoselov, é um 2D, rede de favo de mel em escala atômica de átomos de carbono. Como um material 2D, suas propriedades são radicalmente diferentes do grafite 3D.
p A área sombreada de 150 mV é a faixa de tensão operacional do transistor, que é muito mais estreita do que a faixa de operação dos transistores de silício convencionais (500mV). A oscilação subliminar (inclinação da característica) do transistor proposto também é significativamente maior do que a inclinação limite que pode ser potencialmente obtida de MOSFETs (transistores de efeito de campo de óxido metálico-semicondutor). Esta inclinação limite é mostrada como uma linha pontilhada na imagem inserida. Crédito:Autores do estudo
p "O grafeno de duas camadas são duas folhas de grafeno ligadas uma à outra com ligações covalentes comuns. É tão fácil de fazer quanto o grafeno de monocamada, mas devido à estrutura única de suas bandas eletrônicas, é um material altamente promissor para chaves de tunelamento de baixa tensão, "diz Svintsov.
p As bandas de nível de energia do grafeno de duas camadas assumem a forma de um "chapéu mexicano" (fig. 1A). Acontece que a densidade de elétrons que podem ocupar espaços próximos às bordas do "chapéu mexicano" tende ao infinito - isso é chamado de singularidade de van Hove. Com a aplicação de até mesmo uma tensão muito pequena na porta de um transistor, um grande número de elétrons nas bordas do "chapéu mexicano" começa a formar um túnel ao mesmo tempo. Isso causa uma mudança brusca na corrente a partir da aplicação de uma pequena tensão, e essa baixa tensão é a razão para o baixo consumo de energia recorde.
p Em seu jornal, os pesquisadores apontam que, até recentemente, a singularidade de van Hove era quase imperceptível no grafeno de duas camadas - as bordas do "chapéu mexicano" eram indistintas devido à baixa qualidade das amostras. Amostras modernas de grafeno em substratos de nitreto de boro hexagonal (hBN) são de qualidade muito melhor, e singularidades pronunciadas de van Hove foram experimentalmente confirmadas nas amostras usando microscopia de varredura por sonda e espectroscopia de absorção no infravermelho.
p Uma característica importante do transistor proposto é o uso de "doping elétrico" (o efeito de campo) para criar uma junção p-n de tunelamento. O complexo processo de doping químico, necessário ao construir transistores em semicondutores 3D, não é necessário (e pode até ser prejudicial) para o grafeno de camada dupla. Em dopagem elétrica, elétrons adicionais (ou lacunas) ocorrem no grafeno devido à atração por portas de dopagem próximas.
p Em condições ideais, um transistor de grafeno pode mudar a corrente em um circuito 10, 000 vezes com uma oscilação de tensão do portão de apenas 150 milivolts.
p "Isso significa que o transistor requer menos energia para a comutação, chips exigirão menos energia, menos calor será gerado, sistemas de refrigeração menos potentes serão necessários, e as velocidades de clock podem ser aumentadas sem a preocupação de que o excesso de calor destrua o chip, "diz Svintsov.
