Come salvare il transistor al grafene disturbato

Sulla parete c'è la scritta per il chip di silicio. I transistor si sono ridotti nell'ultimo mezzo secolo, ma non possono ridursi per sempre. La maggior parte degli esperti del settore pensa che il ridimensionamento della tecnologia dei chip di silicio non possa estendersi molto oltre il 2026. La grande domanda, ovviamente, è cosa lo sostituirà.

Una possibilità è il grafene, che vari team in tutto il mondo hanno utilizzato per realizzare transistor estremamente veloci. L'anno scorso, un team ha registrato un transistor al grafene a 427 GHz. Quindi potresti essere perdonato per aver pensato che il grafene sia il perfetto sostituto del silicio.

Non così in fretta. C'è un problema significativo con il grafene che lo rende difficile da usare nei transistor: non ha band gap.

Ciò significa che non esiste un intervallo di energia nel grafene in cui non possono esistere stati di elettroni. O in altre parole, è impossibile spegnere il grafene. E per un transistor, questo significa guai seri.

Oggi, Guanxiong Liu e compagni dell'Università della California, Riverside, affermano di aver trovato un modo per aggirare questo problema che consente ai transistor al grafene senza band gap di funzionare in un modo completamente diverso dagli interruttori convenzionali. I risultati ottenuti presentano un cambiamento concettuale nella ricerca sul grafene e indicano un percorso alternativo per le applicazioni del grafene nell'elaborazione delle informazioni, affermano.

Ogni materiale solido ha le sue bande caratteristiche di energia in cui gli elettroni possono fluire per formare un conduttore o non possono fluire per formare un isolante. In un semiconduttore, gli elettroni non possono fluire a bassa energia e quindi il materiale si comporta come un isolante. Tuttavia, una quantità relativamente piccola di energia può spingere gli elettroni nella cosiddetta banda di conduzione dove scorrono liberamente formando un conduttore.

La differenza di energia tra questi stati isolanti e conduttivi è il band gap e la capacità di passare da uno stato all'altro è la caratteristica distintiva del transistor.

Il problema con il grafene è che non ha band gap; gli elettroni possono fluire a qualsiasi energia. Quindi l'obiettivo principale degli ingegneri del grafene è stato quello di trovare modi per creare un band gap artificiale usando metodi come l'applicazione di campi elettrici, il drogaggio con gli atomi o allungando e schiacciando il materiale.

Questi approcci hanno riscontrato un modesto successo. I circuiti digitali pratici richiedono un intervallo di banda dell'ordine di 1 eV a temperatura ambiente. Ma i migliori sforzi con il grafene hanno prodotto gap di banda modesti nell'ordine di poche centinaia di meV.

Anche allora questo ha avuto un costo serio. I migliori transistor al grafene sono estremamente veloci ma dissipano energia come se non ci fosse un domani e perdono corrente come l'acqua attraverso un setaccio.

Ora Liu e co hanno escogitato un approccio completamente diverso. Evitiamo intenzionalmente qualsiasi tentativo di indurre artificialmente una banda di energia, che renderebbe il grafene più simile al silicio, dicono. Invece si basano su un fenomeno diverso chiamato resistenza negativa per creare un comportamento simile a un transistor.

La resistenza negativa è il fenomeno controintuitivo in cui una corrente che entra in un materiale fa cadere la tensione ai suoi capi. Vari gruppi, incluso questo a Riverside, hanno dimostrato che il grafene mostra una resistenza negativa in determinate circostanze.

La loro idea è quella di prendere un transistor ad effetto di campo standard al grafene e trovare le circostanze in cui dimostra resistenza negativa (o resistenza differenziale negativa, come la chiamano). Quindi usano il calo di tensione, come una sorta di interruttore, per eseguire la logica.

In effetti, il contributo principale di questo articolo è mostrare come diversi transistor ad effetto di campo al grafene possono essere combinati e manipolati in modo da produrre porte logiche convenzionali.

E i risultati sono promettenti. Liu e co dimostrano l'efficacia del loro approccio progettando un circuito a base di grafene in grado di abbinare i modelli e dimostrare che presenta diversi importanti vantaggi rispetto alle versioni a base di silicio.

Per cominciare, Liu e co possono costruire porte XOR elementari con soli tre transistor ad effetto di campo al grafene rispetto agli otto o più richiesti utilizzando il silicio. Ciò si traduce in un'area significativamente più piccola su un chip. Inoltre, i transistor al grafene possono funzionare a velocità superiori a 400 GHz.

Tutto ciò si traduce in un sistema che supera notevolmente il silicio. Dicono che le prestazioni siano di diversi ordini di grandezza superiori rispetto a qualsiasi circuito in scala riportato o addirittura proiettato.

Naturalmente, qualcuno dovrà effettivamente costruire e testare questi dispositivi sul serio prima che questa idea possa ottenere una trazione diffusa. Ma l'approccio del team di Riverside offre una soluzione non convenzionale e creativa a un problema che da tempo regala notti insonni agli ingegneri del grafene.

È possibile che la resistenza negativa del grafene possa dare loro il sonno di bellezza di cui hanno così tanto bisogno.

Rif: arxiv.org/abs/1308.2931 : Circuiti logici non booleani basati su grafene

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