摘要:多年來,科學家和工程師們一直想找到“更小更高效地運用二維石墨烯材料”的好方法。而現在,已經有科學家設計出了一種超低功耗、且最終有望將處理器時鐘速率提升至驚人的100GHz的石墨烯晶體管。傳統晶體管允許電子被一個能量源所激發,跳過能量壁壘并切換到另一狀態。盡管這種方法工作得挺好,但在能效上卻難以大幅提升。
石墨烯雙分子層的電場橫剖面,能量取決于其DoS
反觀隧道晶體管,因借助了量子隧穿效應來跳過能量勢壘(瞬間移動),其操作時的能耗要比標準晶體管少一些。問題是,通達另一側的電流太小,所以距離實際運用還有些遙遠。
不過現在,莫斯科物理技術學院(MIPT)的科學家們已經找到了一種方法來提高隧穿電流,那就是常備業界所提起的二維結構材料——石墨烯。
上圖為石墨烯雙分子層的一種布局(TFET/隧道場效應晶體管)
盡管只是一張由碳原子組成的薄片,但它卻擁有一些不尋常的電子特性。本例中,科學家們建立了一個石墨烯雙分子層的模型,結果發現其電子能量范圍有些奇怪。
雙層石墨烯能帶的形狀,很像是“墨西哥帽”,而不是大多數半導體生產所運用的“拋物線狀”。其意義是,“帽子”邊沿的電子密度似乎趨近于無窮大(又稱van Hove singularity/“范霍夫奇點”)。
前柵極介電層為2nm的二氧化鋯,后級為10nm的二氧化硅,源/排與控制柵極之間的隔斷分別是5nm和10nm。
只需在晶體管門上施加很小的電壓,大量的電子就可以一次穿透隧道(電流急劇改變并突破能量勢壘)。其結果和一個標準的晶體管一樣,只是所需的電壓要小得多。
論文作者之一的Dmitry Svintsov表示:“這意味著此類晶體管在切換狀態時有著更少的能量需求,芯片的功耗、發熱、以及配套的散熱需求也隨之下降,即使大幅提升時鐘頻率也不會造成額外的散熱負擔”。
“有效質量值”大部分在InAs
雙層石墨烯晶體管還可以跳過復雜的“化學摻雜”步驟(生產傳統晶體管時必須要這么做,以拓展半導體的能帶),但能夠通過“電子摻雜”達到與傳統晶體管相同的結果(包括副作用)。
研究人員特地對“墨西哥帽沿”解釋了一番,稱這一過程發生了不少重要的事件,只是以前很難測量。然而通過更優質的基質(打造雙層石墨烯樣品的基底材料),將能夠首次用實驗驗證范霍夫奇點。
電子密度保持在固定的4*1013 cm-2,名義能隙為0.3eV。
最終,該晶體管可以達到低至150mV的操作電壓(相比之下,傳統硅晶體管為500mV),雙層石墨烯有望成為大幅提升計算機性能的一個有效方法。
Svintsov表示:“功率低,電子部件的溫度也低,這意味著我們可以讓芯片運行在極高的頻率——不是GHz級別的提升、而是數十上百倍”。
80 K溫度下獲得的實驗數據,帶狀圖為對應的特征點。
該團隊的研究論文,已經刊登在近期出版的《科學報告》(Scientific Report)期刊上,感興趣的網友可戳這里查看更詳細的(PDF)文檔。
[編譯自:Gizmag , 來源:MIPT]
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