Заместитель главного редактора
66,5
рейтинг
21 августа 2013 в 15:01

Учёные создали графеновый транзистор с частотой работы 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. Гуаньсюн Лю и его коллеги 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 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 кремниевоподобным, 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. Интересно также, что 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 работавшем на частоте 765 ГГц при комнатной и на частоте 845 ГГц при температуре −55°C транзистором на основе фосфида индия и арсенида индия-галлия. Если речь заходит о скоростях работы, то, как указывает enclis, с помощью лазерного излучения электрическое поле в диэлектрике можно переключать с частотой в петагерц, лишь за фемтосекунду. Тем не менее исследования Гуаньсюн Лю и его коллег — это новый, отличный от предыдущих способ построения логических цепей на основе графена.

Отчёт на arXiv
@atomlib
карма
319,0
рейтинг 66,5
Заместитель главного редактора
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (37)

  • +3
    А можно про последний абзац поподробней?
    За счет чего происходит такое сильное падение частоты?
    • +3
      Эм… Ну процессор же не состоит из одного слоя транзисторов. Грубо говоря, нужно, чтобы несколько транзисторов сработали последовательно, что естественно уменьшает частоту всей последовательности.
      Поправьте, если не прав.
    • +1
      У процессора есть много блоков, частота определяется максимальной частотой самого медленного. Допустим это АЛУ, у него есть несколько стадий конвеера, частота определяется самой медленной, допустим это исполнение инструкции, частота определяется самое медленной одно-тактной инструкцией, допустим это умножение — смотрим сколько транзисторов будет соединено последовательно для реализации умножения, делим на это число максимальную частоту работы транзистора, получаем частоту работы проца.

      Для этого и делают длиннющие конвееры на мощных процах, чтобы было проще разгонять.

      Это все без учета времени срабатывания триггеров и запас на разное время распространения сигнала внутри микросхемы и тд.
    • +38
      Все эти большие цифры — это всё про аналоговые частоты. Т.е. частоты, на которых транзистор может пропускать синусоиду.
      А в цифровой технике используются меандры (прямоугольные импульсы). Меандр можно разложить в сумму синусоид (см. картинку), вот только частоты этих синусоид будут кратны частоте меандра (в 2,3,4,...100, 1000,… раз выше), причем амплитуды этих высоких гармоник снижаются довольно медленно. Если транзистор срезает высокие гармоники, фронт прямоугольного сигнала размывается и становится всё менее «прямоугольным». Соответственно длина горизонтальных «полок» становится все меньше и собранный из транзисторов элемент (например, триггер) не успевает сработать.
      Это если с точки зрения математики.
      С точки зрения физики, в реальном кристалле есть куча емкостей (конденсаторов), как полезных, так и паразитных. Ну банально, рядом на кристалле расположены два элемента, на одном высокий уровень напряжения, на другом низкий, а между ними очень тонкий слой диэлектрика, всего сотни атомов. Вот вам конденсатор, который хочешь-не хочешь будет заряжаться и разряжаться, причем делать это не мгновенно. И если мы переключаем наш элемент с одного уровня на другой, то пока все эти конденсаторы не разрядятся/зарядятся — они будут стараться поддерживать старый уровень потенциала, опять же срезая фронты прямоугольного сигнала своими переходными процессами.
      Ещё момент: тепловыделение. Оно растёт как вторая-четвертая степень от частоты, в зависимости от конкретного способа потерь, а параметры полупроводников очень быстро ухудшаются с ростом температуры. Локальный перегрев внутри чипа выводит транзисторы из строя, поэтому в современных процессорах реальная частота блоков плавает в зависимости от температуры (turbo boost и т.п.).
      Третий момент: длина проводников. При частоте 1 ГГц «полка» прямоугольного сигнала успевает пройти в проводнике чуть больше 10 см за всё время своей жизни. Соответственно, если нужно обработать (например, сложить) два сигнала, пришедших из разных блоков, разница в длине линий не должна превышать несколько мм, иначе возникнет «гонка сигналов» (результат сложения будет сначала один, а потом, когда придет запаздывающий сигнал, другой. Из-за переходных процессов вместо нормального результата получится непредсказуемая каша). На частоте 100 Ггц всё станет в 100 раз хуже. Из-за этого современные процессоры уже давно несихронны (т.е. у каждого блока собственный «тактовый сигнал» и собственное «время», а между блоками стоят специальные синхронизирующие схемы), но при дальнейшем повышении частот нужно делать асинхронными всё более и более мелкие блоки, что сложно схемотехнически.
      Вот как-то так.
      • +5
        за такое «как-то так» я и люблю хабр
    • +2
      джиттер, рассинхрон работы ключей, среда передачи сигнала. Транзисторами всё не ограничивается же, и законы природы никто не отменял. Нельзя мгновенно увеличить ток — все имеет сопротивление и индуктивность. пусть даже сверхмалых значений. Это все вносит погрешность каждого прибора, отсюда и суммарный рассинхрон работы.
      Как говорил наш препод по мат. моделированию — с увеличением частоты наступает момент, когда система превращается в стохастическую. Видимо сейчас мы и наблюдаем этот порог на нынешних процессорах.

      А то, о чем uSasha говорит — это частота исполнения инструкций. немного другое.
  • +3
    Оглянуться не успеешь как в продаже появяться телефоны на графеновых процессорах :)
    • +3
      Очередная шутка про чемодан с аккамулятором здесь уместна?
      Как интересно с энергопотреблением?
      • +3
        Графеновые батарейки прилагаются.
  • +45
    Выдыхаем! Закон Мура продолжает работать, можно снова писать какой попало код.
    • +1
      Ага а энергопотребление вас не волнует?
      • +4
        У вас все еще нет атомной батарейки? А вот у менеджеров продающих ультраплоские аппараты она есть!
        • +3
          атомная батарейка дает слишком маленький ток, недостаточный даже чтобы включить ультрамалопотребляющие микроконтроллеры в активном режиме :(
          • +2
            А вы их несколько штук параллельно включите.
            • +3
              и получите пресловутый чемодан.
              • +7
                Да, кого волнуют ваши чемоданы? Главное ультраплоский аппарат! Все становится лучше с ультраплоскими аппаратами!
    • +12
      765ГГц хватит всем
    • +2
      Любители интерпретируемых языков ликуют.
    • –1
      Заебали со свои быдлокодом! Вот уже 20 лет матерюсь, а кули толку. =((
      Замучился покупать каждые 3 года новое железо.
      Извини накипело.
      • 0

  • +4
    Может все же не у атома графена, а у молекулы?
    • +1
      Спасибо, поправил.
  • +3
    Если говорить о нескольких грефеновых транзисторах в одной схеме, то пока что можно говорить только о единицах ГГц.
  • +2
    765 ГГц — страшно представить :--)
    • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
      • 0
        Ультрафиоле́товое излуче́ние (ультрафиолет, УФ, UV) — электромагнитное излучение, занимающее диапазон между фиолетовой границей видимого излучения и рентгеновским излучением (10 — 380 нм, 7,9·1014 — 3·1016 Герц). Так что есть еще куда стремиться!
        • +2
          «Отличный цвет — фиолетовый. Аккуратно зажатый в цветовом спектре между синим и белым. Он приносит выигрыш». Револьвер (Revolver).
  • +3
    Инетресный ник для автора новостей. )
  • +4
    Во главе научной группы вообще-то стоит А. Баландин, а не Лю — тот лишь студент/исследователь.
  • +4
    Если я верно понимаю, плюшки даже не сколько в частоте транзистора, сколько в количестве необходимых транзисторов на 1 логический элемент.
    3 транзистора по 400ГГц кажется мне лучшим вариантом, чем 8 по 765ГГц. Поправьте, если не прав.
  • +1
    Была такая технология — ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика), где транзисторы работают не в предельных режимах (вкл-выкл), а в линейном.
    Опережала по скорости ТТЛ и МОП, но жрала электричество как бегемот веники.
    • +1
      Ну МОП и КМОП собственно и применяются из-за своей экономности
    • +1
      Да она жива и ещё как. Используется в качестве высокоскоростных дифференциальных входных/выходных драйверов. К примеру оптические SFP модули повально LVPECL.
  • +2
    Забавно, «полутЕрагерцовый» и «полутОрагерцовый». Разница в одной букве и в 333 раза )
    • +1
      Там еще в ударении разница
    • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
  • +1
    Зашел на соседний научно-популярный сайт и читаю статью «Карбин — новая форма углерода, превосходящая по прочности графен и углеродные нанотрубки» (кому надо в гугле найдут). Выдержка из текста:
    Карбин, известный еще как аллотропная форма углерода, представляет собой цепь атомов углерода, соединенных последовательными двойными связями или чередованием тройной и одиночной связи.

    и чуть ниже:
    Изгиб цепочки карбина приводит к возникновению дополнительного напряжения между атомами углерода, что смещает электрическую запрещенную зону этого материала, придавая ему ярко выраженные полупроводниковые свойства. Такая особенность может использоваться в различных микроэлектромеханических системах в качестве своеобразного датчика и регулятора положения. Добавляя молекулы различных веществ, к примеру, метилена (CH2), к концам молекулы карбина, можно вызвать искусственное искривление молекулы и даже сформировать ее в виде спирали, подобной спирали молекулы ДНК.

    Все, вопрос с получением полупроводников из углерода решен и далеко не средствами «нашумевшего» графена? Карбин в отличие от графена имеет ярко выраженный полупроводниковые свойства.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.