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Los transistores de grafeno basados ​​en resistencia negativa podrían significar el fin del silicio y los semiconductores

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Se ha dicho mucho sobre los transistores de grafeno y cómo podrían algún día permitir la creación de chips de computadora que sean cientos muchas veces más rápido que la cosecha actual de piezas de silicona de última generación. Con el silicio agotándose rápidamente y sin un camino claro más allá de los 14 nm, el grafeno podría ser la luz al final del túnel. Sin embargo, para que eso suceda, primero debemos convertir el grafeno en un semiconductor confiable; los mejores químicos y físicos del mundo necesitan reunirse y hacer ejercicio cómo apagar el grafeno. Esto está demostrando ser mucho más difícil de lo que parece, pero ahora, gracias a un efecto elegante llamado resistencia negativa, es posible que los investigadores de la Universidad de Riverside, California (UCR) lo hayan descifrado.

Todos los semiconductores, ya sea que estemos hablando de silicio o de un elegante material III-V como el arseniuro de galio, deben sus propiedades semiconductoras a su banda prohibida. Una banda prohibida es esencialmente una cierta diferencia de energía (medida en electronvoltios), hasta la cual los electrones no pueden fluir a través de un material. Mientras la diferencia de voltaje permanezca por debajo de cierto nivel, el material actúa como aislante. Sin embargo, en cierto punto, la diferencia de energía alcanza un punto (la banda prohibida) donde hay suficiente energía para liberar los electrones de la capa exterior del material, creando un mar de electrones que actúan como portadores de carga. En otras palabras, cuando se cruza la banda prohibida, el semiconductor se enciende.

Desafortunadamente, el grafeno no tiene banda prohibida; es realmente conductor todo el tiempo. Esto podría hacerlo útil para otras aplicaciones, pero ciertamente no para transistores, donde las propiedades semiconductoras son absolutamente esenciales. (La imagen de arriba, por cierto, es el primer transistor producido por Bell Labs en 1947). Grupos de investigación de todo el mundo están tratando de inducir una banda prohibida artificial en el grafeno, generalmente mediante dopaje o tensión mecánica, pero todos estos enfoques se han encontrado con diferentes niveles de falla.

Nuevos circuitos, basados ​​en transistores de grafeno de resistencia negativa no booleana

Nuevos circuitos, basados ​​en transistores de grafeno de resistencia negativa no booleana

Tomando un rumbo completamente diferente, Guanxiong Liu y sus colegas investigadores de la Universidad de California, Riverside, han diseñado un transistor de grafeno que elimina la banda prohibida, en lugar de confiar en un nuevo fenómeno que no ha sido utilizado por transistores antes. Básicamente, bajo ciertas condiciones, un aumento en la corriente que ingresa a una pieza de grafeno puede (contraintuitivamente) hacer que el voltaje en el circuito caiga. Esta caída de voltaje, llamada resistencia diferencial negativa, se puede usar para realizar lógica, algo así como un transistor invertido. Según los investigadores de Riverside, las puertas lógicas (y por lo tanto los chips completos) construidos a partir de estos transistores invertidos podrían ser mucho más densos, más eficientes en algunas tareas y operar a velocidades aterradoras (más de 400 gigahercios).

Ahora, por supuesto, en realidad tienen que construir un circuito con estos transistores de grafeno invertidos. Han probado experimentalmente que se produce resistencia negativa en el grafeno, pero ahora necesitan construir algunas puertas XOR a partir del material. Si sale bien, según los investigadores, esto «puede conducir a un cambio conceptual en la investigación del grafeno que demuestre una ruta alternativa para las aplicaciones del grafeno en el procesamiento de la información». En resumen, los transistores de grafeno de 400 GHz son ahora una posibilidad distinta, aunque, como siempre con cualquier tecnología que no esté basada en silicio, tomará al menos otros 10 años hasta que tengamos las máquinas y la experiencia para construir dispositivos basados ​​en grafeno con el mismo nivel. de complejidad como los chips de hoy en día. (Ver: Hype-kill: el grafeno es increíble, pero está muy lejos de reemplazar al silicio).

Ahora lea: La muerte del escalado de CPU: de un núcleo a muchos, y por qué todavía estamos estancados

Trabajo de investigación: arXiv: 1308.2931 – «Circuitos lógicos no booleanos basados ​​en grafeno»