Od dekad elektronika jest zdominowana przez tranzystory półprzewodnikowe, jednak już niedługo może się okazać, że dalsza ich miniaturyzacja oraz zwiększanie wydajności są niemożliwe. Z drugiej strony, zarówno teoretyczne jak i doświadczalne badania nad grafenem wykazały, że może on zostać wykorzystany do budowy tranzystorów o wydajności wykraczającej poza możliwości tradycyjnych półprzewodników. Powstały już nawet pierwsze funkcjonalne prototypy takich urządzeń.
Tranzystory są elementami elektronicznymi pozwalającymi za pomocą niewielkiego napięcia kontrolować znacznie większy przepływ prądu. Są one kluczowym elementem układów cyfrowych a zmniejszanie ich rozmiarów i zwiększanie częstotliwości progowej (tzn. ilości przełączeń prądu w jednostce czasu) prowadzi do wzrostu mocy obliczeniowej komputerów.
Tempo miniaturyzacji tranzystorowych układów scalonych jest opisane obserwacją zwaną potocznie Prawem Moore’a, w myśl którego średnio co dwa lata dwukrotnie zwiększa się gęstość upakowania tranzystorów w układach scalonych, podobnie (co kilkanaście miesięcy) zwiększa się moc obliczeniowa komputerów czy maleje cena tranzystorów. Prawdopodobnie jednak za kilka, kilkanaście lub maksymalnie kilkadziesiąt lat, tranzystory oparte na obecnie stosowanych półprzewodnikach (przede wszystkim na krzemie) nie będą mogły być dalej miniaturyzowane ze względu na ograniczenia wynikające z atomowej struktury materii. Na całym świecie jest obecnie prowadzonych wiele równoległych badań nad alternatywnymi konstrukcjami układów obliczeniowych, od komputerów optycznych do kwantowych w celu przezwyciężenia ograniczeń dzisiejszych rozwiązań.
Jednym z bardziej obiecujących materiałów do produkcji post-krzemowej elektroniki jest grafen, gdyż zarówno modele matematyczne, symulacje komputerowe, jak i badania laboratoryjne potwierdzają, że jego właściwości mogą przekraczać możliwości tradycyjnych półprzewodników. Jedną z najciekawszych cech grafenu, która odróżnia go od półprzewodników, jest zerowa przerwa energetyczna, co oznacza, że wystarczy dostarczyć uwięzionym w atomach elektronom bardzo niewielką energię, aby przedostały się do pasma przewodnictwa i umożliwiły przepływ prądu. Z drugiej strony, brak przerwy energetycznej może wymusić fundamentalne zmiany w samej architekturze tranzystorów, a co za tym idzie układów scalonych i całych komputerów, operujących obecnie przy wykorzystaniu logiki binarnej. Dlatego rozwój grafenowej elektroniki przebiega dwutorowo – część badaczy pracuje nad stworzeniem w grafenie przerwy energetycznej, aby upodobnić jego zachowanie do półprzewodników i wykorzystać jego zalety w ramach bardziej tradycyjnych układów scalonych. Inni naukowcy badają z kolei możliwości zastosowania grafenu (z zerową przerwą energetyczną) do stworzenia układów scalonych o nowej architekturze.
Niezależnie od tego, które z powyższych podejść zyska przewagę w dłuższym terminie, pierwsze, eksperymentalne tranzystory grafenowe już powstawły. We wrześniu 2010 roku grupa badawcza z University of California ogłosiła pobicie rekordu częstotliwości progowej, wytwarzając prototyp 140-nanometrowego tranzystora opartego na grafenie, którego częstotliwość na poziomie 300GHz wyprzedziła dwukrotnie dotychczasowe tranzystory. Od tamtego czasu prowadzone są dalsze badania - przykładowo badacze z IBM opracowali w 2011 roku grafenowy tranzystor, wykorzystujący unikalne podłoże dla grafenu – diamentopodobną folię węglową. Wyjątkowe własności nowego podłoża i grafenu pozwoliły zapobiec rozpraszaniu elektronów (które występuje przy zastosowaniu typowego podłoża wykonanego z tlenku krzemu) co skróciło czas reakcji elektronów na zmiany zewnętrznego pola elektromagnetycznego, zwiększając częstotliwość progową tranzystora do 155GHz. Badania wykazały też możliwość pracy tranzystora IBM w bardzo szerokim zakresie temperatur, także w temperaturach zbliżonych do zera bezwzględnego.
Poza doniesieniami z laboratoriów, warte uwagi są również wyniki symulacji komputerowej opublikowane w Scientific Reports w lutym 2013 roku. Wykazała ona, że poprzez wprowadzenie niewielkiej przerwy energetycznej możliwe jest wytworzenie grafenowych tranzystorów o nieosiągalnej dziś częstotliwości progowej na poziomie 3,4-21THz i rozmiarach rzędu 10 nanometrów. Przyszłość pokaże czy podobne elementy zostaną kiedykolwiek wytworzone, jednak już dzisiejsze technologie opracowywane w laboratoriach mogą doprowadzić do kolejnej rewolucji w elektronice.
Artykuł dotyczy rozstrzygnięcia zdarzenia Tranzystory wysokiej częstotliwości I. Zachęcamy do dyskutowania artykułu i rozstrzygnięcia w komentarzach na stronie zdarzenia.
Bibliografia:
http://spectrum.ieee.org/semiconductors/devices/ucla-builds-fastest-graphene-transistor-yet
http://phys.org/news/2011-04-ibm-graphene-transistor.html
http://www.nature.com/srep/2013/130219/srep01314/pdf/srep01314.pdf
http://www.nature.com/nature/journal/v472/n7341/pdf/nature09979.pdf
http://www.nature.com/nature/journal/v490/n7419/pdf/nature11458.pdf
Powrót
