211service.com
Grafenové tranzistory plní v bezdrátové komunikaci trojí funkci
Potenciál grafenu byl rozpoznán začátkem tohoto měsíce, když ti, kteří jej poprvé studovali v laboratoři, získali v roce 2010 Nobelovu cenu za fyziku. Výzkumníci však teprve začínají zjišťovat, jak využít výhod nového uhlíkového materiálu v elektronických zařízeních.
Trojitý tranzistor: Jednotlivé grafenové tranzistory, jako je tento, mohou pracovat ve třech režimech a vykonávat funkce, které obvykle vyžadují více tranzistorů v obvodu.
Výzkumníci již vyrobili neuvěřitelně rychlé grafenové tranzistory. Nyní použili grafen k výrobě tranzistoru, který lze přepínat mezi třemi různými provozními režimy, což v konvenčních obvodech musí být prováděno třemi samostatnými tranzistory. Tyto konfigurovatelné tranzistory by mohly vést ke kompaktnějším čipům pro odesílání a přijímání bezdrátových signálů.
Čipy, které používají méně tranzistorů při zachování všech stejných funkcí, by mohly být levnější, spotřebovávat méně energie a uvolnit místo v přenosné elektronice, jako jsou chytré telefony, kde je málo místa. Nový grafenový tranzistor je analogové zařízení typu, který se používá pro bezdrátovou komunikaci v náhlavních soupravách Bluetooth a štítcích pro radiofrekvenční identifikaci (RFID).
Dokonalá struktura grafenu na atomové úrovni zajišťuje plynulou plavbu elektronů a materiál vede elektrony lépe než kterýkoli jiný materiál při pokojové teplotě. Dosud se používal k výrobě tranzistorů, které spínají rychlostí asi 100 gigahertzů, neboli 100 miliardkrát za sekundu, 10krát rychleji než nejlepší křemíkové tranzistory; předpovídá se, že z materiálu by mohly být vyrobeny tranzistory, které jsou dokonce 1000krát rychlejší než tento. A protože je grafen hladký a plochý, měl by být kompatibilní se zařízením na výrobu čipů v továrnách na výrobu polovodičů.
Ale grafen nabízí další vlastnosti kromě toho, že je skvělým vodičem elektronů, říká Kartík Mohanram , profesor elektrotechniky a počítačového inženýrství na Rice University. Je také možné změnit chování grafenového tranzistoru za chodu, což nelze provést s konvenčními křemíkovými tranzistory. Tranzistory, které tvoří konvenční křemíkové logické obvody, se mohou chovat pouze jedním ze dvou způsobů, nazývaných n pro záporné nebo p pro kladné – buď řídí tok elektronů nebo tok děr, nebo kladné náboje. Zda je konvenční tranzistor typu p nebo n, se určuje během výroby. Ale grafen je ambipolární: může vést kladné i záporné náboje.
Mohanram navrhl tranzistor, který lze měnit, a vyrobil a otestoval jej Alexandr Balandin , profesor materiálové vědy a inženýrství na University of California, Riverside. Změnou napětí aplikovaného na list grafenu pomocí tří elektrických hradel mohli přepínat grafen mezi třemi různými režimy: n-type, p-type a režimem, kde vedl kladný a záporný náboj rovnoměrně. Tento trojvidový tranzistor funguje jako zesilovač a lze jej použít ke kódování datového toku změnou frekvence a fáze signálu. Změny fáze a frekvence se používají ke kódování dat v telekomunikačních zařízeních, jako jsou náhlavní soupravy Bluetooth a štítky RFID.
Zařízení Mohanram and Balandin je první, které dokáže tuto úroveň zpracování signálu v jediném tranzistoru. Obvykle taková signalizace vyžaduje více tranzistorů. Jejich tranzistor je důkazem konceptu, ale Mohanram říká, že ukazuje, co by mohlo být možné s grafenem.
Jiné skupiny prokázaly vícevidové tranzistory využívající grafen, uhlíkové nanotrubice a organické molekuly. Výzkumníci říkají, že nový grafenový obvod s trojitým režimem lze ovládat lépe než tato zařízení.
Kontrola je rozhodující při navrhování ambipolárních tranzistorů, říká Subhasish Mitra , profesor elektrotechniky a informatiky na Stanfordské univerzitě. Lidé považovali ambipolaritu za špatnou věc, protože je obvykle obtížné kontrolovat, jak se bude ambipolární tranzistor chovat, což ztěžuje jejich použití, říká.
Mitra poznamenává, že výhody zobrazené na úrovni jednoho tranzistoru musí být nyní demonstrovány v systémech. Elektrická hradla potřebná k řízení chování polí ambipolárních tranzistorů by mohla skončit tak, že by bylo mnohem obtížnější navrhnout a vyrobit obvody. Nyní, když ukázali, že to dokážou, musíme vidět, jaký přínos to přináší na systémové úrovni, říká.
Balandin a Mohanram nyní pracují na grafenových obvodech, aby otestovali výhody ambipolarity na vyšší úrovni. Mění také design samotných tranzistorů, aby byly efektivnější.
Nikdo dosud nepublikoval žádné články o vytváření integrovaných obvodů vyrobených z grafenových tranzistorů, ale Balandin říká, že výzkumníci jsou nyní na pokraji toho, aby to všechno dali dohromady. Zatímco vědci v oblasti materiálů a výrobci zařízení pracují na překonání výzev spojených s prací s grafenem, říká Mohanram, návrháři obvodů by s nimi měli držet krok a kreativně přemýšlet o ambipolaritě a dalších možnostech, které grafen a další nanomateriály otevírají. Nové návrhy a nové způsoby myšlení mohou zaostávat za vývojem nových materiálů, říká.