Новый тип графенового транзистора можно рассматривать в качестве кандидата на замену CMOS-технологии

Совершенно новый тип транзистора, структура которого основана на использовании графена, позволяет электронам перемещаться одновременно двумя способами, проходя через потенциальный барьер и «перепрыгивая» через него за счет эффекта туннелирования. Такая двойственная природа нового транзистора позволяет ему работать на очень высоких тактовых частотах, делая его самым высокопроизводительным графеновым транзистором среди всех подобных транзисторов, созданных когда-либо людьми. Помимо этого такие транзисторы без особых затруднений можно наносить на гибкие и прозрачные основания, что позволит с его помощью создавать гибкие электронные устройства нового поколения, которые могут работать на более высоких скоростях, чем современные кремниевые устройства, изготовленные по CMOS-технологии.

Исследователи из Манчестерского университета в Великобритании, которые разработали структуру нового транзистора, изготовили и провели испытания опытных образцов, опубликовали результаты своих исследований в журнале «Nature Nanotechnology». Согласно опубликованной учеными информации, структура подавляющего большинства всех созданных ранее графеновых транзисторов представляет собой многослойный «бутерброд», в котором внешние графеновые пленки чередуются с внутренними сверхтонкими слоями из различных материалов. В данном случае в качестве материала среднего слоя исследователи использовали двумерный лист дисульфида вольфрама (WS2), который стал барьером, толщиной в один атом, разделяющим два слоя графена.

Одно из основных преимуществ использования дисульфида вольфрама заключается в том, что этот материал, в отличие от других материалов, позволяет электронам проходить через барьер как классическим способом, так и за счет эффекта туннелирования, т.е. попросту перескакивать через барьер. При этом, для пересечения электроном барьера с помощью эффекта туннелирования требуется затратить гораздо меньшее количество энергии, нежели чем при преодолении его обычным способом.

За счет присутствия двух разных способов преодоления электронами барьера нового транзистора управление состоянием транзистора производится методом, кардинально отличающимся от метода управления обычными транзисторами. Для того, что бы обычный транзистор открылся, требуется подать положительный электрический потенциал на управляющий электрод, затвор. С этой точки зрения управление новым графеновым транзистором осуществляется точно также, присутствие положительного потенциала снижает высоту туннельного барьера. Что бы обычный транзистор перешел в закрытое состояние, требуется снять потенциал с управляющего электрода. Новому графеновому транзистору для его перевода в надежно закрытое состояние требуется подать на затвор отрицательный электрический потенциал, который увеличивает высоту барьера туннелирования настолько, что лишь немногие электроны остаются способны его преодолеть.

Для того, чтобы добиться высокой частоты переключения транзистора, исследователи использовали в своих интересах зависимость туннельного тока от приложенного напряжения и напряжения на управляющем электроде. При низком напряжении и при низкой температуре транзистора, туннельный ток пропорционален напряжению, но при более высокой температуре термоэлектронный ток растет по экспоненте от приложенного напряжения. Это обеспечивает новому транзистору возможность переходить в определенных точках его вольт-амперной характеристики с одного вида переноса электрического заряда на другой и обратно. А это, в свою очередь, позволяет значительно увеличить скорость переключения транзистора.

Проведенные испытания опытных образцов новых транзисторов показали, что соотношение тока в выключенном и во включенном состоянии составляет 1 к 106 при комнатной температуре, что делает его конкурентоспособным не только с другими графеновыми транзисторами, но и кремниевыми транзисторами, изготовленными по CMOS-технологии. А поскольку новый транзистор имеет толщину всего в несколько атомных слоев, он может без потери функциональности выдерживать сильный изгиб и деформацию, что делает его незаменимой вещью в деле создания гибких и прозрачных электронных устройств будущего.