Uudenlainen grafeenitransistori

Venäläis-japanilainen tutkijaryhmä on kehittänyt uudenlaisen grafeenitransistorin ja mallinnuksella osoittaneet, että sillä on erittäin matala tehonkulutus verrattuna muihin vastaaviin transistorirakenteisiin.

Tutkijoiden mukaan tärkein tekijä vähentää virrankulutusta on, että se mahdollistaa kasvattaa prosessorien kellotaajuutta. Laskelmien mukaan lisäys voisi olla jopa kaksi kertaluokkaa.

Yksi suurimmista nykyelektroniikan haasteista on tuottaa transistoreita, jotka kykenevät siirtymään alle 0,5 voltin jännitteillä. Tämän ongelman ratkaisemiseksi parhaita ehdokkaita ovat tunneloivat transistorit. Kuitenkin useimmissa puolijohteissa tunnelointivirta on niin pieni, ettei sitä voi käyttää todellisissa piireissä.

Tutkijat Moscow Institute of Physics and Technologystä (MIPT), Institute of Physics and Technology RAS:sta ja Tohoku Universitystä (Japani) ehdottavat uutta suunnitelmaa tunnelointitransistorista. Se perustuu kaksikerroksiseen grafeeniin ja mallintamalla he osoittivat, että materiaali on ihanteellinen alusta pienen jännitteen elektroniikalle.

Kaksikerroksisessa grafeenissa grafeeniarkit kiinnittyvät toisiinsa tavallisin kovalenttisidoksin. Sitä on yhtä helppo tehdä kuin yksikerroksista grafeenia, mutta johtuen se elektronisten kaistojen ainutlaatuisesta rakenteesta, se on erittäin lupaava materiaali pienjännitteisiin tunnelointikytkimiin", toteaa MIPT:n Dmitry Svintsov.

Kaksikerroksisen grafeenin kaistat ovat energiagraafissa muodoltaan "meksikolaisia hattuja", joiden reunoilla olevat elektronitiheydet pyrkivät äärettömään – ilmiötä kutsutaan van Hove singulariteetiksi. Hyvin pienellä transistorin porttijännitteellä valtava määrä elektroneja "meksikolaisen hatun" reunoilla alkaa tunneloitua samaan aikaan. Tämä aiheuttaa jyrkän muutoksen virrassa pienelläkin jännitteellä.

Tärkeä ominaisuus ehdotetussa transistorirakenteessa on käyttää "sähköistä seostusta (kenttävaikutus) luomaan tunneloiva pn-liitos. Kemiallista seostusta ei täten tarvita ja se voi jopa olla vahingollista. Sähköisessä seostuksessa grafeenissa esiintyy lisäelektroneja (tai aukkoja), johtuen vetovoimasta kohti lähekkäin sijoitettuja seostusportteja.

Optimiolosuhteissa grafeenitransistori voi muuttaa piirin virtaa kymmenentuhatta kertaa vain 150 millivolttisella hilajännitteen heilahduksella toteavat tutkijat MIPT:n tiedotteessa.

Aiheesta aiemmin:

Grafeenielektroniikka uuteen ulottuvuuteen