Los científicos han desarrollado un nuevo tipo de transistor a base de grafeno y, utilizando modelos, han demostrado que tiene un consumo de energía ultra bajo en comparación con otros dispositivos de transistores similares. Los hallazgos han sido publicados en un artículo en la revista Informes científicos . El efecto más importante de reducir el consumo de energía es que permite aumentar la velocidad del reloj de los procesadores. Según los cálculos, el aumento podría ser tan alto como dos órdenes de magnitud.
"El objetivo no es tanto el ahorro de electricidad: tenemos mucha energía eléctrica. A menor potencia, los componentes electrónicos se calientan menos, y eso significa que pueden funcionar a una mayor velocidad de reloj, no unogigahercios, pero diez por ejemplo, o incluso cien ", dice el autor correspondiente del estudio, el jefe del Laboratorio de Optoelectrónica y Materiales de Dos Dimensiones de MIPT, Dmitry Svintsov.
La construcción de transistores que sean capaces de conmutar a bajos voltajes menos de 0.5 voltios es uno de los mayores desafíos de la electrónica moderna. Los transistores de túnel son los candidatos más prometedores para resolver este problema. A diferencia de los transistores convencionales, donde los electrones "saltan"a través de la barrera de energía, en los transistores de túnel los electrones se "filtran" a través de la barrera debido al efecto de túnel cuántico. Sin embargo, en la mayoría de los semiconductores, la corriente de túnel es muy pequeña y esto evita que los transistores que se basan en estos materiales se usen en circuitos reales.
Los autores del artículo, científicos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú MIPT, el Instituto de Física y Tecnología RAS y la Universidad de Tohoku Japón, propusieron un nuevo diseño para un transistor de túnel basado en grafeno bicapa, yutilizando modelos, demostraron que este material es una plataforma ideal para la electrónica de bajo voltaje.
Graphene, que fue creado por los alumnos de MIPT Sir Andre Geim y Sir Konstantin Novoselov, es una lámina de carbono que tiene un átomo de espesor. Como tiene solo dos dimensiones, las propiedades del grafeno, incluidas sus propiedades electrónicas, son radicalmente diferentes acarbono tridimensional - grafito.
"El grafeno bicapa es dos láminas de grafeno que se unen entre sí con enlaces covalentes ordinarios. Es tan fácil de hacer como el grafeno monocapa, pero debido a la estructura única de sus bandas electrónicas, es un material muy prometedor para bajainterruptores de túnel de alto voltaje ", dice Svintsov.
Las bandas de grafeno bicapa, es decir, los niveles de energía permitidos de un electrón en un valor dado de momento, tienen la forma de un "sombrero mexicano" fig. 1A, compárelo con las bandas de la mayoría de los semiconductores que forman una forma parabólicaResulta que la densidad de electrones que pueden ocupar espacios cerca de los bordes del "sombrero mexicano" tiende al infinito, esto se llama singularidad de Van Hove. Con la aplicación de incluso un voltaje muy pequeño a la puerta deun transistor, una gran cantidad de electrones en los bordes del "sombrero mexicano" comienzan a formarse un túnel al mismo tiempo. Esto causa un cambio brusco en la corriente de la aplicación de un voltaje pequeño, y este bajo voltaje es la razón del registrobajo consumo de energía.
En su artículo, los investigadores señalan que hasta hace poco, la singularidad de Van Hove apenas se notaba en el grafeno bicapa: los bordes del "sombrero mexicano" no se distinguían debido a la baja calidad de las muestras. Muestras modernas de grafeno en boro hexagonallos sustratos de nitruro hBN son de mucha mejor calidad, y se han confirmado experimentalmente las pronunciadas singularidades de Van Hove en las muestras utilizando microscopía de sonda de barrido y espectroscopía de absorción infrarroja
Una característica importante del transistor propuesto es el uso de "dopaje eléctrico" el efecto de campo para crear una unión pn de túnel. El complejo proceso de dopaje químico, que se requiere cuando se construyen transistores en semiconductores tridimensionales, no esnecesario e incluso puede ser dañino para el grafeno bicapa. En el dopaje eléctrico, se producen electrones o agujeros adicionales en el grafeno debido a la atracción hacia las puertas de dopaje situadas muy cerca.
En condiciones óptimas, un transistor de grafeno puede cambiar la corriente en un circuito diez mil veces con una oscilación de voltaje de la puerta de solo 150 milivoltios.
"Esto significa que el transistor requiere menos energía para la conmutación, los chips requerirán menos energía, se generará menos calor, se necesitarán sistemas de enfriamiento menos potentes y las velocidades de reloj se pueden aumentar sin la preocupación de que el exceso de calor destruya elchip ", dice Svintsov.
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Materiales proporcionados por Instituto de Física y Tecnología de Moscú . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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