石墨烯物理研究所

石墨烯基晶体管用于提高处理器的时钟速度

莫斯科物理与技术研究所（MIPT）、物理科学与技术RAS研究所和日本东京大学的...

莫斯科物理与技术研究所（MIPT）、物理科学与技术RAS研究所和日本东京大学的科学家已经开发出一种新型的石墨烯基晶体管，并且通过使用模型，他们已经证明了：与其类似的晶体管器件相比，石墨烯基晶体管具有超低功耗。根据计算，降低功耗可以使处理器的时钟速度高达两个数量级，因为电子元件升温少。

开发能够在低电压下（小于0.5伏）转换的晶体管是现代电子技术的主要挑战之一。隧道晶体管似乎是解决这个问题的最有前途的候选人。传统晶体管中电子的“跳跃”是通过能量势垒，与之不同，由于量子隧道效应，隧道晶体管中电子通过势垒“过滤”。然而，大多数半导体的隧穿电流非常小，这妨碍了基于这些材料的晶体管在实际电路中的应用。参与这项研究的团队提出了一种新的双层石墨烯基隧道晶体管的设计方案，并且通过使用模型，他们证明了此材料对于低压电器来说是一个理想平台。双层石墨烯是两片石墨烯通过普通共价键相连而得到的。由于其独特的电子能带结构，它是一种很有前途的低温穿隧开关材料。双层石墨烯的频带是一个“墨西哥帽”形状。事实证明，可以占据接近“墨西哥帽”边沿空间的电子密度趋于无穷大——这叫做范霍夫奇点。即使在一个晶体管栅极间用非常小的电压， “墨西哥帽”边缘大量的电子就开始在同一时间打通隧道。这会导致一个小电压应用中电流的急剧变化，并且这个低压是记录的低功耗的原因。研究人员指出，直到最近，范霍夫奇点在双层石墨烯中几乎是观察不到的——由于样品的质量低，“墨西哥帽”边缘是模糊的。在六方氮化硼（HBN）基板上的现代石墨烯样品质量要好很多，并且样品中明显的范霍夫奇点已经通过使用扫描探针显微镜和红红外吸收光谱得到实验证实。该晶体管的一个重要特征是使用“电掺杂”来构建穿隧p-n结。在三维半导体材料上构建晶体管时所必须的这个复杂的化学掺杂过程，对于双层石墨烯来说是不需要的。在最佳条件下，一个石墨烯晶体管在只有150毫伏的栅极电压下在电路中可以改变电流一万次。研究团队说：“这意味着，晶体管转换需要较少的能量，芯片需要较少的能量，将产生较少的热量，因而不需要太强大的冷却系统，并且增加时钟速度的同时也不用担心过多的热量会破坏芯片。”