科普專欄 / Information

100GHz不是夢 雙層石墨烯晶體管誕生

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、且最終有望将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态。盡管這種方法工作得挺好,但在能效上卻難以大幅提升。

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标準晶體管少一些。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。

盡管隻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範圍有些奇怪。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産所運用的“抛物線狀”。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/“範霍夫奇點”)。

隻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)。其結果和一個标準的晶體管一樣,隻是所需的電壓要小得多。論文作者之一的Dmitry Svintsov表示:“這意味着此類晶體管在切換狀态時有着更少的能量需求,芯片的功耗、發熱、以及配套的散熱需求也随之下降,即使大幅提升時鐘頻率也不會造成額外的散熱負擔”。

雙層石墨烯晶體管還可以跳過複雜的“化學摻雜”步驟(生産傳統晶體管時必須要這麼做,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,隻是以前很難測量。然而通過更優質的基質(打造雙層石墨烯樣品的基底材料),将能夠首次用實驗驗證範霍夫奇點。

最終,該晶體管可以達到低至150mV的操作電壓(相比之下,傳統矽晶體管為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,這意味着我們可以讓芯片運行在極高的頻率——不是GHz級别的提升、而是數十上百倍”。

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。

來源:網易、cnbeta

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