Cómo salvar el transistor de grafeno con problemas

La escritura está en la pared para el chip de silicio. Los transistores se han estado reduciendo durante el último medio siglo, pero no pueden hacerlo para siempre. La mayoría de los expertos de la industria piensan que la reducción de la tecnología de chips de silicio no puede extenderse mucho más allá de 2026. La gran pregunta, por supuesto, es qué la reemplazará.

Una posibilidad es el grafeno, que varios equipos de todo el mundo han utilizado para fabricar transistores enormemente rápidos. El año pasado, un equipo registró un transistor de grafeno a 427 GHz. Por lo tanto, se le podría perdonar por pensar que el grafeno es el reemplazo perfecto del silicio.

No tan rapido. Existe un problema importante con el grafeno que dificulta su uso en transistores: no tiene banda prohibida.

Eso significa que no hay un rango de energía en el grafeno en el que los estados de electrones no puedan existir. O en otras palabras, es imposible apagar el grafeno. Y para un transistor, eso significa serios problemas.

Hoy, Guanxiong Liu y sus amigos de la Universidad de California, Riverside, dicen que han encontrado una forma de evitar esto que permite que los transistores de grafeno sin banda prohibida funcionen de una manera completamente diferente a los conmutadores convencionales. Los resultados obtenidos presentan un cambio conceptual en la investigación del grafeno e indican una ruta alternativa para las aplicaciones del grafeno en el procesamiento de información, dicen.

Cada material sólido tiene sus propias bandas de energía características en las que los electrones pueden fluir para formar un conductor o se les impide fluir para formar un aislante. En un semiconductor, los electrones no pueden fluir a baja energía y, por lo tanto, el material se comporta como un aislante. Sin embargo, una cantidad relativamente pequeña de energía puede empujar a los electrones hacia la denominada banda de conducción donde fluyen libremente formando un conductor.

La diferencia de energía entre estos estados aislantes y conductores es la banda prohibida y la capacidad de cambiar entre un estado y otro es la característica definitoria del transistor.

El problema con el grafeno es que no tiene banda prohibida; los electrones pueden fluir a cualquier energía. Entonces, el enfoque principal de los ingenieros de grafeno ha sido encontrar formas de crear una banda prohibida artificial utilizando métodos como la aplicación de campos eléctricos, el dopaje con átomos o estirando y exprimiendo el material.

Estos enfoques han tenido un éxito modesto. Los circuitos digitales prácticos requieren una banda prohibida del orden de 1 eV a temperatura ambiente. Pero los mejores esfuerzos con grafeno han producido brechas de banda modestas en unos pocos cientos de meV.

Incluso entonces, esto ha tenido un costo importante. Los mejores transistores de grafeno son tremendamente rápidos pero disipan energía como si no hubiera un mañana y filtran corriente como agua a través de un tamiz.

Ahora Liu y compañía han ideado un enfoque completamente diferente. Evitamos intencionalmente cualquier intento de inducir artificialmente una banda de energía, lo que haría que el grafeno se pareciera más al silicio, dicen. En cambio, se basan en un fenómeno diferente llamado resistencia negativa para crear un comportamiento similar al de un transistor.

La resistencia negativa es el fenómeno contrario a la intuición en el que una corriente que ingresa a un material hace que caiga el voltaje a través de él. Varios grupos, incluido este de Riverside, han demostrado que el grafeno presenta una resistencia negativa en determinadas circunstancias.

Su idea es tomar un transistor de efecto de campo de grafeno estándar y encontrar las circunstancias en las que demuestra resistencia negativa (o resistencia diferencial negativa, como lo llaman). Luego usan la caída de voltaje, como una especie de interruptor, para realizar la lógica.

De hecho, la principal contribución de este artículo es mostrar cómo se pueden combinar y manipular varios transistores de efecto de campo de grafeno de una manera que produzca puertas lógicas convencionales.

Y los resultados son prometedores. Liu y sus colegas demuestran la efectividad de su enfoque al diseñar un circuito basado en grafeno que puede igualar patrones y demostrar que tiene varias ventajas importantes sobre las versiones basadas en silicio.

Para empezar, Liu y compañía pueden construir puertas XOR elementales con solo tres transistores de efecto de campo de grafeno en comparación con los ocho o más requeridos con silicio. Eso se traduce en un área significativamente más pequeña en un chip. Además, los transistores de grafeno pueden funcionar a velocidades de más de 400 GHz.

Todo eso se traduce en un sistema que supera drásticamente al silicio. Dicen que el rendimiento es varios órdenes de magnitud más alto que el de cualquier circuito escalado informado o incluso proyectado.

Por supuesto, alguien tendrá que construir y probar estos dispositivos de verdad antes de que esta idea pueda ganar tracción generalizada. Pero el enfoque del equipo de Riverside ofrece una solución poco convencional y creativa a un problema que ha estado provocando noches de insomnio a los ingenieros de grafeno durante algún tiempo.

Es posible que la resistencia negativa del grafeno les dé el sueño reparador que tanto necesitan.

Ref: arxiv.org/abs/1308.2931 : Circuitos lógicos no booleanos basados ​​en grafeno

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