Przełom w grafenowych tranzystorach: powstaną z nich układy wielowartościowej logiki

Branża elektroniczna z niepokojem wygląda poza barierę 10 nanometrów, poza którą ma już być niemożliwe dalsze miniaturyzowanie układów CMOS. Arsenek galu nie spełnił pokładanych w nim nadziei jako następca krzemu. Jeśli więc nie GaAs, to może grafen? O pomysłach na wykorzystanie w budowaniu superszybkich elementów półprzewodnikowych tej niezwykłej dwuwymiarowej struktury atomów węgla, słychać od kilku lat. Uczeni z IBM dowiedli, że teoretycznie grafenowy tranzystor wytworzony w procesie technologicznym 240 nm może być taktowany częstotliwościami do 100 GHz. Teoretycznie, bo praktycznie nikt nie wiedział, jak z doskonale przewodzącego elektryczność grafenu tranzystor zrobić.

Do budowy tranzystorów potrzebne są półprzewodniki. A półprzewodniki swoje właściwości zawdzięczają istnieniu przerwy energetycznej, czyli zakresu energii elektronów, w którym dochodzi do silnego ich rozpraszania na atomach. Wskutek istnienia takich przerw, w danym półprzewodniku nie występują elektrony o energii z określonych zakresów. Dzięki temu, dopóki różnica napięć w układzie pozostaje poniżej określonego dla danego półprzewodnika poziomu, zachowuje się on jak izolator. Po jej przekroczeniu, gdy energii jest dość wiele, by wybić elektrony z zewnętrznej powłoki, materiał staje się przewodnikiem.

Grafen jest jednak przewodnikiem i nie ma przerw energetycznych. Przerwy takie próbowano (za pomocą różnych domieszek) wytworzyć sztucznie, ale efekty były mierne, największe uzyskane przerwy energetyczne były rozmiaru kilkuset meV (i to w niskich temperaturach), podczas gdy do praktycznego wykorzystania, potrzeba przynajmniej przerwy 1 eV w temperaturze pokojowej. Zbudowane z grafenu tranzystory, mimo że szaleńczo szybkie, rozpraszały ogromne ilości energii

Coś zupełnie innego zaproponował zespół badaczy z University of California pod kierownictwem Guanxiong Liu. Ich projekt to tranzystor, który nie potrzebuje przerwy energetycznej, wykorzystując efekt ujemnej oporności przyrostowej (negative differential resistance, NDR) zaobserwowany w polowych tranzystorach grafenowych (G-FET).

Efekt ten, wynikający z symetrycznej, pasmowej struktury grafenu, sprawia, że w pewnych warunkach dostarczenie dodatkowego napięcia do układu powoduje spadek napięcia w całym obwodzie. Uczeni zamiast szukać sposobów na upodobnienie grafenu do półprzewodników, zaczęli szukać sposobu na wykorzystanie tych spadków napięcia do przeprowadzania operacji logicznych.

Co jednak najciekawsze, postulują oni, że pełen potencjał charakterystyk grafenowych tranzystorów może zostać realizowany w ramach nieboole'owskich architektur logicznych, np. w nieliniowych sieciach. Zespół pokazał, jak zaprojektować takie wielowartościowe jednostki logiczne i łączyć je w grupy automatów komórkowych, w których pojedyncza komórka nie odnosi się do żadnego fizycznego obiektu czy struktury, ale której wartość logiczną można łatwo ustalić mierząc wyjściowe napięcia. Takie struktury mogą odtwarzać zarówno klasyczne bramki logiczne (i to znacznie efektywniej – bramkę XOR można tu zrobić za pomocą trzech G-FET-ów, podczas gdy w CMOS trzeba użyć przynajmniej ośmiu tranzystorów), jak i służyć do tworzenia specjalnych analogowych obwodów logicznych do takich operacji jak np. rozpoznawanie obrazu czy szyfrowanie.

W teorii operacyjna częstotliwość grafenowych układów wynieść może nawet 427 GHz, przy ich o rzędy wielkości mniejszych od CMOS rozmiarach. Nawet jeśli nie zastąpią one tradycyjnych elementów półprzewodnikowych, to zdaniem badaczy jako koprocesory logiki analogowej powinny znaleźć wiele zastosowań specjalistycznych, tam, gdzie przydatne są nieboole'owskie architektury logiczne.

Z pracą badaczy, opublikowaną pt. Graphene-Based Non-Boolean Logic Circuits, możecie zapoznać się tutaj.

Za: dobreprogramy.pl