Учёным удалось получить графеновый транзистор с частотой 427 ГГц

К сожалению, в отличие от обычных полупроводников, находящих широкое практическое применение, графен, материал, на который в последнее время возлагаются большие надежды, не имеет запрещённой зоны, что означает сложности или полную невозможность построения транзистора нового поколения на его основе. Физики во главе с Гуаньсюн Лю заявили, что они нашли обходной путь, отличный от используемого в обычных транзисторах.

За последние пять десятков лет развитие кремниевой электроники во многом происходит благодаря уменьшению отдельных компонентов на кристалле. Однако, всему есть свои пределы, и эксперты считают, что подобное продлится не далее 2026 года. Учёные всего мира находятся в активном поиске материала, способного заменить кремний, и часто взоры обращаются на графен.

В полупроводниках, используемых в транзисторах, существуют, как и в любых твёрдых материалах, зона энергии, в которой электроны могут свободно течь, что делает их проводником и «открывает» их, и зона, в которой их движение невозможно, что вызывает «закрытие». Для открытия и перехода в состояние зоны проводимости требуется относительно малое количество энергии. Именно эти свойства определяют принципы и характеристики полупроводниковых транзисторов. Однако, отсутствие у графена запрещенной зоны серьёзно ограничивает его использование в качестве транзистора: у атома графена нет областей энергии, которыми не может обладать электрон в кристалле. На практике это означает невозможность «отключить» графеновый транзистор.

Поэтому одной из основных задач, стоявших перед исследователями свойств графена, было создание искусственной запрещённой энергетической зоны. Добивались они этого приложением электрических полей, добавлением примесей или растяжением и сжатием материала. Попытки не увенчались положительным результатом: для создания транзистора требуется запрещённая зона порядка единицы эВ при условиях комнатной температуры, а попытки приводили к размеру запрещённой зоны лишь в несколько сотен мэВ. И даже в этом случае у графенового транзистора возникали отрицательные свойства: слишком высокие энергопотребление и рассеиваемая теплота.

Лю и его коллеги подошли совершенно с другой стороны: вместо попыток создания искусственной запрещённой зоны, что сделало бы полученный транзистор более кремниевопообным, они использовали явление отрицательного сопротивления. Явление заключается в появлении на вольтамперной характеристике участка, где напряжение уменьшается при увеличении протекающего тока. Различные исследования показали наличие у графена отрицательного сопротивления при определённых условиях.

Группа Лю попыталась использовать это падение напряжения для создания логических элементов. Фактически, главным достижением стала демонстрация того, как с помощью нескольких графеновых полевых транзисторов возможно создать традиционные логические элементы. Результаты оказались многообещающими, Лю и его коллеги показали эффективность их подхода созданием логической цепи, которая имеет преимущества над аналогичной схемой, выполненной при помощи кремниевых транзисторов. Пока что исследователям удалось создать элемент исключающего «ИЛИ» на основе трёх графеновых транзисторов вместо восьми кремниевых, что сулит куда меньшее занимаемое место на кристалле микросхемы. Что куда интересней, графеновые транзисторы могут работать на частоте более 400 ГГц.

Конечно, частота работы отдельного элемента не означает подобную же частоту работы целого микропроцессора. Также текущий рекорд частоты работы транзистора остаётся за полутерагерцевым кремний-германиевым транзистором, и работающем на частоте 765 ГГц при комнатной и на частоте 845 ГГц при температуре −55°C транзистором на основе фосфида индия и арсенида индия-галлия. Тем не менее это новый, отличный от предыдущих способ построения логических цепей на основе графена.

Отчёт на arxiv.org