Двухслойный графен - основа высокоскоростных туннельных транзисторов нового типа

Исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ) разработали структуру нового туннельного транзистора, основу которой составляют два слоя графена, формы углерода, кристаллическая решетка которого имеет одноатомную толщину. Произведенные учеными расчеты математических моделей показывают, что новые транзисторы имеют высокую эффективность с точки зрения расходуемой энергии и могут обеспечить работу на тактовых частотах, превышающих тактовые частоты используемых в современных микропроцессорах транзисторов на один-два порядка величины.

"В данном случае речь идет даже не об экономии электроэнергии" - рассказывает Дмитрий Свинцов, ученый кафедры Общей физики МФТИ, - "Потребляя меньше энергии, электронные компоненты нагреваются меньше и они в состоянии работать на более высоких тактовых частотах. Не в один гигагерц, а на десяти или даже ста гигагерцах".

Туннельные транзисторы, транзисторы, работающие за счет эффекта квантового туннелирования электронов, считаются одними из главных кандидатов на замену обычным транзисторам, которые работают за счет электронных барьеров, блокирующих прохождение электронов через канал транзистора. Основная проблема с обычными транзисторами заключается в том, что при попытках дальнейшего уменьшения их габаритных размеров эти барьеры получаются настолько узкими, что электроны без помех проходят сквозь них за счет другого явления - квантового туннелирования.

Туннельные транзисторы всегда работают только за счет явления туннелирования, а управление работой такого транзистора заключается в изменении вероятности того, что электрон успешно "перескочит" с одного электрода устройства на другой. Создавая новые транзисторы, ученые из МФТИ разработали специализированную математическую модель туннельного перехода, состоящего из двух слоев графена. Этот материал был выбран из-за того, что характеристики его валентной зоны и зоны проводимости имеют уникальную форму, коренным образом отличающуюся от формы этих характеристик всех полупроводниковых материалов.

Моделирование показало, что электроны, сгруппировавшиеся "на краях" характеристик графена, под воздействием небольшого электрического потенциала, приложенного к управляющему электроду транзистора, совершают "массовый" туннельный переход, вызывая резкое увеличение тока через транзистор. Именно это резкое увеличение при низком управляющем напряжении определяет высокое быстродействие и эффективность новых транзисторов.

"Следующим нашим шагом будет изготовление опытного образца полевого (FET) туннельного транзистора, измерение его основных параметров и сравнение экспериментальных данных с данными, полученными в результате расчетов математической модели" - рассказывает Дмитрий Свинцов в электронном письме к издательству IEEE Spectrum, - "С теоретической стороны данных исследований мы продолжим поиски других материалов, характеристики которых в области переноса электрических зарядов позволят нам реализовать еще более быстрое управление туннельным током через транзистор".

Ученые из МФТИ уже владеют технологией выращивания двойного слоя графена на основании из нитрида бора и технологией создания 10-нм промежутков между металлическими электродами транзистора. Тем не менее, для изготовления первых опытных образцов новых транзисторов им придется решить ряд проблем технического плана. И еще большее количество проблем им надо будет решить прежде, чем такие транзисторы пойдут в массовое производство.