Использования отрицательного дифференциального сопротивления в графеновых полевых транзисторах для построения не-Булевой логики

Графеновые полевые транзисторы и их вольт-амперная характеристика

Группа исследователей из Калифорнийского Университета в Риверсайде решила проблему, создававшую серьезные препятствия для использования графена в электронных устройствах.
Графен представляет собой одноатомный слой кристаллического углерода определенной структуры с уникальными свойствами, полезными для применения в электронике, включая чрезвычайно высокую подвижность электронов и фононов (квазичастица для описания теплопроводности в виде колебательного движения атомов). Тем не менее, графен не имеет запрещенной энергетической зоны (между зоной валентности и зоной проводимости), которая является специфическим свойством полупроводниковых материалов, без нее нельзя построить эффективный переключающий транзистор.
Транзистор, реализованный на основе графена будет страдать от тока утечки и рассеивать значительную мощность в выключенном состоянии из-за отсутствия запрещенной зоны. Усилия, направленные на формирование запрещенной зоны в графене с помощью квантовой или поверхностной деформации не привели к большим успехам. Вопрос о целесообразности применения графена в электронных схемах для обработки информации так и остается открытым.
Но командой Калифорнийского Университета, в числе которой два наших соотечественника, Александр Баландин и Александр Хитун, предложено оригинальное решение проблемы с отсутствием запрещенной зоны.
"Большинство исследователей пытались изменить графен чтобы сделать его похожим на обычные полупроводники для применения в логических схемах", сказал Баландин. "Как правило, это приводит к ухудшению свойств графена. Например, попытки, искусственного формирования запрещенной зоны обычно приводит к уменьшению подвижности электронов, и в то же самое время не приводят к созданию достаточно большой ширины запрещенной зоны".
"Мы решили использовать альтернативный подход", сказал Баландин. "Вместо того, чтобы изменять структуру графена, мы изменили способ, которым информация обрабатывается в электронных цепях".
Для этого была разработана схема использования отрицательного дифференциального сопротивления в графеновых полевых транзисторах, для построения жизнеспособной логики, альтернативной Булевой. Отрицательное дифференциальное сопротивление - наблюдается при определенных схемах смещения - это внутреннее свойство графена в результате его симметричной структуры. Напомним, что отрицательное дифференциальное сопротивление означает, что на некотором участке вольт-амперной характеристики увеличение напряжения, приводит не к увеличению тока (как в обычном случае), а к уменьшению. Т.е., с точки зрения соотношения зависимостей токов и напряжения, сопротивление будет отрицательным.

Не-Булева логика на основе графеновых полевых транзисторов

Современная цифровая электроника, которая используется в компьютерах и сотовых телефонах, основана на Булевой алгебре и реализована на полупроводниковых переключателях. Эта логика использует нули и единицы для кодирования и обработки информации. Тем не менее, Булева логика не единственный способ обработки информации. Предлагается использовать уникальные вольтамперные характеристики графена для построения не-Булевой логической архитектуры, которая использует принципы нелинейных сетей.
В предлагаемой схеме логический вентиль ИЛИ(XOR) основан на трех полевых графеновых транзисторах. Обычно, подобный вентиль для реализации использует восемь CMOS кремниевых транзисторов, обеспечивая быстродействие на уровне десятков гигагерц. По утверждению разработчиков их ИЛИ-вентиль работает на частотах до 400 ГГц, так же как графеновые транзисторы с отсутствующей запрещенной зоной с высокими токами утечки.

Атомистического моделирования показывает, что отрицательное дифференциальное сопротивление проявляется не только в микроскопических размерах графеновых устройств, но и в нанометровом масштабе, что позволит создавать очень небольшие и слаботочные элементы. Предложенный подход представляет собой концептуальное изменение в исследовании графена и указывает альтернативную стратегию применения графена в устройствах обработки информации. Остается надеяться на то, что перспективные исследования получат продолжение в виде дешевой и экономичной микроэлектроники на графеновой основе.
(по материалам www.ucr.edu и www.technologyreview.com)