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Los transistores de grafeno cumplen una función triple en las comunicaciones inalámbricas
El potencial del grafeno fue reconocido a principios de este mes cuando quienes lo estudiaron por primera vez en el laboratorio ganaron el Premio Nobel de Física 2010. Pero los investigadores apenas están empezando a descubrir cómo aprovechar el novedoso material de carbono en los dispositivos electrónicos.
Triple transistor: los transistores de grafeno individuales como este se pueden hacer para operar en tres modos y realizar funciones que generalmente requieren múltiples transistores en un circuito.
Los investigadores ya han fabricado transistores de grafeno increíblemente rápidos. Ahora han usado grafeno para hacer un transistor que se puede cambiar entre tres modos diferentes de operación, lo que en los circuitos convencionales debe ser realizado por tres transistores separados. Estos transistores configurables podrían conducir a chips más compactos para enviar y recibir señales inalámbricas.
Los chips que usan menos transistores mientras mantienen las mismas funciones podrían ser menos costosos, usar menos energía y liberar espacio dentro de dispositivos electrónicos portátiles como teléfonos inteligentes, donde el espacio es reducido. El nuevo transistor de grafeno es un dispositivo analógico, del tipo que se utiliza para comunicaciones inalámbricas en auriculares Bluetooth y etiquetas de identificación por radiofrecuencia (RFID).
La estructura perfecta del grafeno a nivel atómico proporciona una navegación suave para los electrones, y el material conduce los electrones mejor que cualquier otro material a temperatura ambiente. Hasta ahora, se ha utilizado para fabricar transistores que cambian a aproximadamente 100 gigahercios, o 100 mil millones de veces por segundo, 10 veces más rápido que los mejores transistores de silicio; se predice que el material podría convertirse en transistores que son incluso 1000 veces más rápidos que esto. Y debido a que el grafeno es suave y plano, debería ser compatible con el equipo de fabricación de chips en las fábricas de semiconductores.
Pero el grafeno ofrece otras propiedades además de ser un gran conductor de electrones, dice Kartik Mohanram , profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Rice. También es posible cambiar el comportamiento de un transistor de grafeno sobre la marcha, algo que no se puede hacer con los transistores de silicio convencionales. Los transistores que componen los circuitos lógicos de silicio convencionales sólo pueden comportarse de dos formas, llamadas n para negativo o p para positivo: controlan el flujo de electrones o el flujo de huecos o cargas positivas. Si un transistor convencional es de tipo p o de tipo n se determina durante la fabricación. Pero el grafeno es ambipolar: puede conducir cargas tanto positivas como negativas.
Mohanram ha diseñado un transistor que se puede cambiar y lo ha fabricado y probado con Alejandro balandin , profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de California, Riverside. Al cambiar el voltaje aplicado a una hoja de grafeno usando tres puertas eléctricas, podrían cambiar el grafeno entre tres modos diferentes: tipo n, tipo p y un modo en el que conducía carga positiva y negativa por igual. Este transistor de modo triple actúa como un amplificador y se puede utilizar para codificar un flujo de datos cambiando la frecuencia y la fase de una señal. Los cambios de fase y frecuencia se utilizan para codificar datos en dispositivos de telecomunicaciones como auriculares Bluetooth y etiquetas RFID.
El dispositivo de Mohanram y Balandin es el primero que puede realizar este nivel de procesamiento de señal en un solo transistor. Por lo general, dicha señalización requiere múltiples transistores. Su transistor es un dispositivo de prueba de concepto, pero Mohanram dice que demuestra lo que podría ser posible con el grafeno.
Otros grupos han demostrado transistores multimodo que utilizan grafeno, nanotubos de carbono y moléculas orgánicas. Los investigadores dicen que el nuevo circuito de modo triple de grafeno se puede controlar mejor que esos dispositivos.
El control es fundamental al diseñar transistores ambipolares, dice Subhasish Mitra , profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Stanford. La gente solía considerar la ambipolaridad como algo malo porque normalmente es difícil controlar cómo se comportará un transistor ambipolar, lo que dificulta su uso, dice.
Mitra señala que los beneficios mostrados en el nivel de un solo transistor ahora deben demostrarse en los sistemas. Las puertas eléctricas necesarias para controlar el comportamiento de las matrices de transistores ambipolares podrían terminar haciendo que los circuitos sean mucho más difíciles de diseñar y fabricar. Ahora que han demostrado que pueden hacer esto, necesitamos ver qué beneficio aporta a nivel de sistema, dice.
Balandin y Mohanram ahora están trabajando en circuitos de grafeno para probar los beneficios de la ambipolaridad a un nivel superior. También están cambiando el diseño de los propios transistores para hacerlos más eficientes.
Nadie ha publicado todavía ningún artículo sobre la creación de circuitos integrados hechos de transistores de grafeno, pero Balandin dice que los investigadores están ahora a punto de ponerlo todo junto. A medida que los científicos de materiales y los fabricantes de dispositivos trabajan para superar los desafíos de trabajar con grafeno, dice Mohanram, los diseñadores de circuitos deben seguirles el ritmo y pensar creativamente sobre la ambipolaridad y otras posibilidades abiertas por el grafeno y otros nanomateriales. Los nuevos diseños y las nuevas formas de pensar pueden quedarse atrás del desarrollo de nuevos materiales, dice.