Графен – хорошая основа для туннельных транзисторов
 Трехмерная модель туннельного транзистора, построенного на базе двух слоев графена. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Туннелирование - один из наиболее широко применяемых эффектов, открытых благодаря развитию квантовой механики. Согласно теории туннельного эффекта, при наличии электрона рядом с достаточно тонким энергетическим барьером существует ненулевая вероятность обнаружить этот электрон за границей барьера. Другими словами, при достаточно малом расстоянии электроны под воздействием внешнего поля могут туннелировать через прослойку диэлектрика.
На туннельном эффекте основан принцип работы сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), ставшей окном в наномир. Однако, это далеко не единственное приложение туннелирования. Еще в 50-х годах XX века появились так называемые туннельные диоды, идея создания которых основана на формировании «правильного» двойного потенциального барьера. Благодаря специфическим характеристикам подобные диоды давно и достаточно широко применяются в промышленности.
Туннельный транзистор (tunnel field effect transistor, TFET) – следующий этап развития туннельного диода. Помимо преимуществ, унаследованных от туннельного диода (например, возможности работы при частотах, находящихся на грани возможностей современной измерительной техники), такой транзистор отличается от «классического» наличием не двух состояний («открыт» - «закрыт»), а целых трех («закрыт» - «открыт» - «закрыт»); кроме того, он обладает крайне низким энергопотреблением.
Пока туннельные транзисторы не слишком-то распространены. В основном это связано со сложностью их производства. В частности, на данный момент пока не существует реализованных образцов, работающих при комнатной температуре. Однако, новые материалы открывают новые возможности для технологий. Так, например, группа ученых из Италии доказала на математической модели, что два слоя графена могут стать отличной основой для формирования туннельного транзистора.
Графен, был открыт совсем недавно – уже в 21 веке; он представляет собой мономолекулярный слой атомов углерода, составляющих двумерную гексагональную кристаллическую решетку. Благодаря особенному строению, свойства графена по-настоящему уникальны. Он обладает очень высокой проводимостью, благодаря чему как будто предназначен для миниатюрных и быстрых устройств с низким энергопотреблением. Очень часто в научных статьях звучат предположения о том, что углеродные структуры, вроде графена, смогут заменить кремний в наноэлектронике будущего. Однако, с внедрением графена все не так просто; он является полупроводником без запрещенной зоны, что препятствует его использованию в цифровой электронике (невозможно выделить два состояния, на которых можно было бы построить логику). Один из способов обойти эту проблему – использование тонких полосок графена (шириной порядка 2 нм), но при существующем уровне развития технологий – это практически не решаемая задача.
Расчеты итальянских исследователей показали, что существует и другое решение - использование двойного слоя графена в туннельном транзисторе. Согласно их математической модели, два слоя графена превращают недостатки этого материала в достоинства, формируя устройство с нужными характеристиками. Ученые отмечают, что пока их модель основывается на идеальных структурах, т.е. не учитывает возможных дефектов и примесей в графене, однако, уже планируется сотрудничество с экспериментальными группами для проверки проведенных расчетов.
Также по теме:
Источники: