Przełom w grafenowych tranzystorach: powstaną z nich układy wielowartościowej logiki z zegarami 400 GHz?

Branża elektroniczna z niepokojem wygląda poza barierę 10nanometrów, poza którą ma już być niemożliwe dalsze miniaturyzowanieukładów CMOS. Arsenek galu nie spełnił pokładanych w nim nadziei jakonastępca krzemu. Jeśli więc nie GaAs, to może grafen? O pomysłach nawykorzystanie w budowaniu superszybkich elementów półprzewodnikowychtej niezwykłej dwuwymiarowej struktury atomów węgla, słychać od kilkulat. Uczeni z IBM dowiedli, że teoretycznie grafenowy tranzystorwytworzony w procesie technologicznym 240 nm może być taktowanyczęstotliwościami do 100 GHz. Teoretycznie, bo praktycznie nikt niewiedział, jak z doskonale przewodzącego elektryczność grafenutranzystor zrobić.Do budowy tranzystorów potrzebne są półprzewodniki. Apółprzewodniki swoje właściwości zawdzięczają istnieniu przerwyenergetycznej, czyli zakresu energii elektronów, w którym dochodzi dosilnego ich rozpraszania na atomach. Wskutek istnienia takich przerw,w danym półprzewodniku nie występują elektrony o energii zokreślonych zakresów. Dzięki temu, dopóki różnica napięć w układziepozostaje poniżej określonego dla danego półprzewodnika poziomu,zachowuje się on jak izolator. Po jej przekroczeniu, gdy energii jestdość wiele, by wybić elektrony z zewnętrznej powłoki, materiał stajesię przewodnikiem.[img=graphene]Grafen jest jednak przewodnikiem i nie ma przerw energetycznych.Przerwy takie próbowano (za pomocą różnych domieszek) wytworzyćsztucznie, ale efekty były mierne, największe uzyskane przerwyenergetyczne były rozmiaru kilkuset meV (i to w niskichtemperaturach), podczas gdy do praktycznego wykorzystania, potrzebaprzynajmniej przerwy 1 eV w temperaturze pokojowej. Zbudowane zgrafenu tranzystory, mimo że szaleńczo szybkie, rozpraszały ogromneilości energiiCoś zupełnie innego zaproponował zespół badaczy z University ofCalifornia pod kierownictwem Guanxiong Liu. Ich projekt totranzystor, który nie potrzebuje przerwy energetycznej, wykorzystującefekt ujemnej oporności przyrostowej (negative differentialresistance, NDR) zaobserwowany w polowych tranzystorachgrafenowych (G-FET).Efekt ten, wynikającyz symetrycznej, pasmowej struktury grafenu, sprawia, że w pewnychwarunkach dostarczenie dodatkowego napięcia do układu powoduje spadeknapięcia w całym obwodzie. Uczeni zamiast szukać sposobów naupodobnienie grafenu do półprzewodników, zaczęli szukać sposobu nawykorzystanie tych spadków napięcia do przeprowadzania operacjilogicznych. Co jednak najciekawsze, postulują oni, że pełen potencjałcharakterystyk grafenowych tranzystorów może zostać realizowany wramach nieboole'owskich architektur logicznych, np. w nieliniowychsieciach. Zespół pokazał, jak zaprojektować takie wielowartościowejednostki logiczne i łączyć je w grupy automatówkomórkowych, w których pojedyncza komórka nie odnosi się do żadnegofizycznego obiektu czy struktury, ale której wartość logiczną możnałatwo ustalić mierząc wyjściowe napięcia. Takie struktury mogąodtwarzać zarówno klasyczne bramki logiczne (i to znacznieefektywniej – bramkę XOR można tu zrobić za pomocą trzechG-FET-ów, podczas gdy w CMOS trzeba użyć przynajmniej ośmiutranzystorów), jak i służyć do tworzenia specjalnych analogowychobwodów logicznych do takich operacji jak np. rozpoznawanie obrazuczy szyfrowanie.W teorii operacyjna częstotliwośćgrafenowych układów wynieść może nawet 427 GHz, przy ich o rzędywielkości mniejszych od CMOS rozmiarach. Nawet jeśli nie zastąpią onetradycyjnych elementów półprzewodnikowych, to zdaniem badaczy jakokoprocesory logiki analogowej powinny znaleźć wiele zastosowańspecjalistycznych, tam, gdzie przydatne są nieboole'owskiearchitektury logiczne.Z pracą badaczy, opublikowaną pt.Graphene-Based Non-Boolean Logic Circuits,możecie zapoznać się tutaj.