(A) Espectro de electrones E (p) en grafeno bicapa (izquierda) y dependencia energética de su densidad de estados, DoS (derecha). En los niveles de energía correspondientes al borde del "sombrero mexicano", el DoS tiende al infinito. (B) Las áreas rojas muestran los estados de los electrones que participan en la tunelización en el grafeno bicapa (izquierda) y en un semiconductor convencional con parabólicos "ordinarios". bandas (derecha). Los electrones que son capaces de hacer túneles a bajos voltajes se encuentran en el anillo del grafeno, pero en el semiconductor solo se encuentran en un único punto. Las líneas punteadas indican las transiciones de tunelización. Las líneas rojas indican las trayectorias de los electrones tunelizados en la banda de valencia. Crédito:Autores del estudio
Los científicos han desarrollado un nuevo tipo de transistor basado en grafeno y el modelado demuestra que tiene un consumo de energía ultrabajo en comparación con otros dispositivos de transistores similares. Los hallazgos se han publicado en un artículo de la revista. Informes científicos . El efecto más importante de reducir el consumo de energía es que permite una mayor velocidad de reloj del procesador, según los cálculos, hasta dos órdenes de magnitud mayor.
"No se trata tanto de ahorrar electricidad, tenemos mucha energía eléctrica. A una potencia menor, los componentes electrónicos se calientan menos, y eso significa que pueden operar a una velocidad de reloj más alta, ni un gigahercio, pero 10 por ejemplo, o incluso 100, "dice Dmitry Svintsov, el jefe del Laboratorio de Optoelectrónica y Materiales Bidimensionales del MIPT.
Construir 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, en el que los electrones "saltan" a través de la barrera de energía, en transistores de túnel, los electrones "filtran" a través de la barrera a través del efecto de túnel cuántico. Sin embargo, en la mayoría de los semiconductores, la corriente de túnel es muy pequeña, evitando que los transistores que se basan en estos materiales se utilicen 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), propuso un nuevo diseño para un transistor de túnel basado en grafeno bicapa, y usando modelado, demostraron que este material es una plataforma ideal para la electrónica de bajo voltaje.
Grafeno que fue creado por los ex alumnos del MIPT Sir Andre Geim y Sir Konstantin Novoselov, es un 2D, red en forma de panal de átomos de carbono a escala atómica. Como material 2D, sus propiedades son radicalmente diferentes a las del grafito 3D.
El área sombreada de 150 mV es el rango de voltaje de operación del transistor, que es mucho más estrecho que el rango operativo de los transistores de silicio convencionales (500 mV). La oscilación del subumbral (pendiente de la característica) del transistor propuesto también es significativamente mayor que la pendiente límite que se puede obtener potencialmente de los MOSFET (transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico). Esta pendiente límite se muestra como una línea de puntos en la imagen insertada. Crédito:Autores del estudio
"El grafeno bicapa son dos láminas de grafeno unidas entre sí con enlaces covalentes ordinarios. Es tan fácil de fabricar como el grafeno monocapa, pero debido a la estructura única de sus bandas electrónicas, es un material muy prometedor para los interruptores de túnel de baja tensión, "dice Svintsov.
Las bandas de niveles de energía de grafeno bicapa toman la forma de un "sombrero mexicano" (fig. 1A). Resulta que la densidad de electrones que pueden ocupar espacios cercanos a los bordes del "sombrero mexicano" tiende hacia el infinito; esto se denomina singularidad de van Hove. Con la aplicación de incluso un voltaje muy pequeño a la puerta de un transistor, una gran cantidad de electrones en los bordes del "sombrero mexicano" comienzan a hacer un túnel al mismo tiempo. Esto provoca un cambio brusco en la corriente por la aplicación de un pequeño voltaje, y este bajo voltaje es la razón del bajo consumo de energía récord.
En su papel los investigadores señalan que hasta hace poco, la singularidad de van Hove apenas se notaba en el grafeno bicapa:los bordes del "sombrero mexicano" eran indistintos debido a la baja calidad de las muestras. Las muestras modernas de grafeno sobre sustratos de nitruro de boro hexagonal (hBN) son de mucha mejor calidad, y se han confirmado experimentalmente singularidades pronunciadas 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 p-n de efecto túnel. El complejo proceso de dopaje químico, necesario al construir transistores en semiconductores 3D, no es necesario (e incluso puede ser perjudicial) para el grafeno bicapa. En el dopaje eléctrico, En el grafeno se producen electrones (o huecos) adicionales 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 10, 000 veces con una oscilación del 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 refrigeración menos potentes, y las velocidades del reloj se pueden aumentar sin preocuparse de que el exceso de calor destruya el chip, "dice Svintsov.
