Транзисторы на основе двухслойного графена помогут в 100 раз увеличить частоту процессоров

Обновлено: 06.07.2024

Полные данные катушек этого передатчика мне неизвестны.

В принципе, для получения дополнительной информации могу порекомендовать следующий документ:

С уважением,
В.Л.Веснин.

Не подскажите какие катушки индуктивности использовали в данной схеме В интернете кстати широко распространен миф, что передатчик первого ИСЗ был на стержневых лампах.
Лампы 2П19Б не являются таковыми и имеют классические витые сетки. Робот-червь - это действительно круто! Надеемся на практическое применение в нашей жизни. Лаборатория космических исследований УлГУ присоединяется к поздравлениям.
Ребята, вы молодцы, что научились думать и побеждать! Спасибо, Александра Ивановна, Виктор Михайлович!
Лаборатория космических исследований, действительно, с самого рождения Соляриса оказывала нам реальную поддержку. Небесные тела двигаются по сложным орбитам, иногда - с большим эксцентриситетом. Они отдаляются и вновь сближаются. Главное, что они - в едином Космосе!

[12 Августа 2015]	[Математика]
Комплексные иррациональные и ложные «комплексные» числа (0)

[02 Января 2014]	[Науки о психике, душе, духе]
ДЕКЛАРАЦИЯ УЛЬЯНОВСКОГО КЛУБА «НООСФЕРА» (0)

[02 Января 2014]	[Философские вопросы]
Микрословарь основных терминов (выборка) (0)

[02 Января 2014]	[Науки о психике, душе, духе]
От "споров и ссор" Разума и Чувств к их Синтезу? (0)

[02 Января 2014]	[Науки о психике, душе, духе]
КАК "запрячь" Истину, Добро и Красоту в "тройку счастья"? (0)

[26 Декабря 2013]	[Науки о психике, душе, духе]
Рецензия как палка о двух концах (0)

[20 Декабря 2013]	[Философские вопросы]
Об опыте Кауфмана и следствиях из него (11)

[20 Декабря 2013]	[Философские вопросы]
Что такое масса? (159)

[20 Декабря 2013]	[Философские вопросы]
О Галилео Галилее и его парадоксе (0)

[18 Апреля 2013]	[Науки о психике, душе, духе]
Письмо к Гарсиа (3)

Оптическая иллюзия - влияние линий

Просмотры:
Всего комментариев: 0
Рейтинг: 0.0

"Вечные" двигатели

Просмотры:
Всего комментариев: 0
Рейтинг: 0.0

НАНОвый год и Reactable

Просмотры:
Всего комментариев: 0
Рейтинг: 0.0

Нанореволюция Супергород

Просмотры:
Всего комментариев: 0
Рейтинг: 0.0

Как всё будет выглядеть выше скорости света

Просмотры:
Всего комментариев: 0
Рейтинг: 0.0

Глубочайшая фрактальная анимация приближения Мадельброта! 10^275 (2.1E275 или 2^915)

Просмотры:
Всего комментариев: 0
Рейтинг: 0.0

ДОЛ "Факел". Научно-техническая смена - 2012

Просмотры:
Всего комментариев: 0
Рейтинг: 0.0

Резонансный эксериент (ОСТОРОЖНО! Полная версия - громкий звук)

Просмотры:
Всего комментариев: 1
Рейтинг: 5.0

Солярис. Телеспектакль ЦТ 1968

Просмотры:
Всего комментариев: 0
Рейтинг: 0.0

Самые лучшие иллюзии

Просмотры:
Всего комментариев: 0
Рейтинг: 0.0

[04 Августа 2014]	[Мои файлы]
Параллели Мира (0)

[06 Февраля 2014]	[Мои файлы]
Иллюзия мышиной норы (0)

[03 Января 2013]	[Мои файлы]
Интерактивная панорама Млечного Пути (0)

[06 Декабря 2012]	[Мои файлы]
Шкала масштабов Вселенной (1)

[26 Июня 2012]	[Скачивание программ]
FlashPlayer (0)

[09 Июня 2012]	[Мои файлы]
Прохождение Венеры по диску Солнца (0)

[08 Июня 2012]	[Мои файлы]
Ковровая дорожка (0)

[23 Мая 2012]	[Мои файлы]
Телесюжет ГТРК «Волга» о соревнованиях по робототехнике 20 мая 2012 г (0)

[11 Мая 2012]	[Мои файлы]
До скорого свидания (0)

[20 Марта 2012]	[Скачивание программ]
«Компас-3D» (1)

Рейтинг по пятибалльной шкале: 0.0 (количество проголосовавших: 0)

Российско-японская команда ученых разработала технологию, которая позволяет в 100 раз увеличить тактовую частоту процессоров. В её основе - туннельные транзисторы из двухслойного графена, которые обладают сниженным энергопотреблением.

По словам заведующего лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ Дмитрия Свинцова, ведущего автора исследования, графеновый транзистор в оптимальных условиях эксплуатации на затворе всего в 150 милливольт может менять силу тока в цепи в 35000 раз. Такое маленькое рабочее напряжение означает уменьшенное энергопотребление, а значит - меньший нагрев электронных компонент, что является одним из серьёзных ограничений для подъёма тактовой частоты современных процессоров. Новая разработка существенно ослабляет проблему нагрева, что позволит поднять тактовую частоту (а значит и быстродействие процессоров) с единиц до сотни гигагерц.

Одним из перспективных решений в области низковольтных транзисторов являются так называемые туннельные транзисторы, чей коммутируемый ток обусловлен квантовомеханическим туннельным эффектом. Однако в большинстве полупроводников туннельный ток слишком мал, из-за чего в реальных схемах они не используются. Применение двухслойного графена позволило обойти эти ограничения.

Транзисторы, изготовленные из двух листов графена, связанных силами межмолекулярного взаимодействия, производить не сложнее, чем однослойный графен. Но, за счёт особой структуры энергетических зон этот материал является весьма перспективным для создания низковольтных туннельных переключателей. Учёные сравнили график энергетических зон (разрешенные значения энергии электрона при данном значении импульса) двухслойного графена с мексиканской шляпой. Вблизи её краев плотность возможного размещения электронов стремится к бесконечности. Если к транзистору из двухслойного графена приложить даже небольшое напряжение, то все эти электроны начнут тунеллировать. Разработчики технологии отмечают, что найденная особенность в структуре энергетической зоны носит название сингулярности Ван Хова. До проведения исследований эффект в двухслойном графене был едва заметен. Когда же специалисты использовали графен на подложках из гексагонального нитрида бора (hBN), то получили более качественные образцы. Наличие сингулярности Ван Хова было экспериментально подтверждено в них методами инфракрасной спектроскопии поглощения и сканирующей зондовой микроскопии.

Это, пожалуй, наиболее серьёзный прорыв в технологии создания микропроцессоров за последние 10 лет. И пример того, как новое научное открытие оказалось способно вызвать скачок эффективности техники по ключевому параметру сразу на 2 порядка.

МОСКВА, 16 мая. /ТАСС/. Российские ученые вместе с коллегами из Японии разработали транзисторы на основе двухслойного графена и показали, что те обладают рекордно низким энергопотреблением. Тактовая частота процессоров на основе таких транзисторов может увеличиться на два порядка, сообщает пресс-служба МФТИ.

"При оптимальных условиях графеновый транзистор может менять силу тока в цепи в 35 тысяч раз при колебании напряжения на затворе всего в 150 милливольт", - говорится в пресс-релизе. "Такое маленькое рабочее напряжение означает не только то, что мы можем сэкономить электричество - электроэнергии у нас хватает, - приводятся в пресс-релизе слова ведущего автора исследования, заведующего лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ Дмитрия Свинцова. - При меньшем энергопотреблении электронные компоненты меньше нагреваются, а, значит, могут работать с более высокой тактовой частотой - не 1 ГГц, а, например, 10 или даже 100".

Дмитрий Свинцов и сотрудники Лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ

Создание транзисторов, способных переключаться при малых напряжениях (менее 0,5 вольт), является одной из главных задач современной электроники. Наиболее перспективными кандидатами для ее решения часто считают туннельные транзисторы, но в большинстве полупроводников туннельный ток так мал, что не позволяет использовать транзисторы на их основе в реальных схемах. Авторы исследования показали, что эти ограничения можно обойти в новых туннельных транзисторах на основе двухслойного графена.

(A) Зависимость энергии электрона от импульса в двухслойном графене, напоминающая мексиканскую шляпу (слева), и энергетическая зависимость плотности состояний (справа (B) Красным обозначены состояния электронов, которые участвуют в туннелировании в двухслойном графене (слева) и в полупроводнике с «обычными» параболическими зонами (справа).

"Двухслойный графен - это два листа графена, связанные между собой силами межмолекулярных взаимодействий. Получать его так же просто, как однослойный графен, но благодаря уникальной структуре энергетических зон двухслойный графен представляет собой чрезвычайно перспективный материал для низковольтных туннельных переключателей", - отметил Свинцов. Энергетические зоны двухслойного графена, т.е. разрешенные значения энергии электрона при данном значении импульса, имеют вид "мексиканской шляпы". Плотность электронов, которые можно разместить вблизи краев "мексиканской шляпы" стремится к бесконечности, а, значит, с приложением к транзистору уже небольшого напряжения все эти электроны начнут туннелировать. Поэтому в двухслойном графене и можно получить необходимые для работы электроники токи при низком энергопотреблении.

Такая особенность в структуре энергетической зоны называется сингулярностью Ван Хова и до новой работы в двухслойном графене она была едва заметна. Иначе говоря, края "мексиканской шляпы" выглядели "потрепанными" из-за низкого качества образцов. Современные образцы графена на подложках гексагонального нитрида бора (hBN) обладают гораздо лучшим качеством, и наличие острых сингулярностей Ван Хова в них экспериментально подтверждено методами сканирующей зондовой микроскопии и инфракрасной спектроскопии поглощения.

Ученые разработали новый тип транзистора на основе двухслойного графена и с помощью моделирования доказали, что он обладает рекордно низким энергопотреблением по сравнению с существующими аналогами, говорится в статье, опубликованной в журнале Scientific Reports. Важнейшим следствием снижения энергопотребления транзисторов является возможность увеличить тактовую частоту процессоров. Согласно результатам расчетов, она может вырасти на два порядка. Эти рекорды возможны благодаря необычной зависимости энергии электрона от импульса в двухслойном графене, которая по внешнему виду напоминает мексиканскую шляпу.

«Дело здесь не столько в том, чтобы сэкономить электричество - электроэнергии у нас хватает. При меньшем энергопотреблении электронные компоненты меньше нагреваются, а значит, могут работать с более высокой тактовой частотой - не один гигагерц, а, например, 10 или даже 100» , - говорит ведущий автор исследования, заведующий Лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов и преподаватель кафедры общей физики МФТИ Дмитрий Свинцов .

Создание транзисторов, способных переключаться при малых напряжениях (менее 0,5 вольт) является одной из серьезнейших проблем современной электроники. Наиболее перспективными кандидатами для решения проблемы являются туннельные транзисторы. В отличие от классических транзисторов, где электроны «перепрыгивают» через энергетический барьер, в туннельных транзисторах электроны через барьер «просачиваются» благодаря квантовому эффекту туннелирования. Однако в большинстве полупроводников туннельный ток очень мал, и это не позволяет использовать туннельные транзисторы на их основе в реальных схемах.

Авторы статьи, ученые из МФТИ, Физико-технологического института РАН и университета Тохоку (Япония) предложили новую конструкцию туннельного транзистора на основе двухслойного графена и с помощью моделирования доказали, что этот материал является идеальной платформой для низковольтной электроники.

Графен, удивительные свойства которого были открыты выпускниками МФТИ Андреем Геймом и Константином Новоселовым, представляет собой лист углерода толщиной в один атом. За счет двумерности свойства графена, в том числе электрические, радикально отличаются от трехмерного углерода - графита.

«Двухслойный графен - это два листа графена, связанные между собой ван-дер-ваальсовыми связями. Получать его так же просто, как однослойный графен, но благодаря уникальной структуре энергетических зон он представляет собой чрезвычайно перспективный материал для низковольтных туннельных переключателей» , - говорит Свинцов.

Энергетические зоны двухслойного графена, т.е. разрешенные значения энергии электрона при данном значении импульса, имеют вид «мексиканской шляпы» (рис. 1А, для сравнения, энергетические зоны большинства полупроводников имеют вид параболоида). Оказывается, что плотность электронов, которые можно разместить вблизи краев «мексиканской шляпы» стремится к бесконечности – эта особенность называется сингулярностью ван Хова. При приложении уже небольшого напряжения на затвор транзистора огромное число электронов с краев «мексиканской шляпы» одновременно начинают туннелировать. Это приводит к резкому изменению тока при приложении малого напряжения, а малость используемого напряжения приводит к рекордно низкому энергопотреблению.

В своей работе исследователи отмечают, что до недавнего времени сингулярность ван Хова в двухслойном графене была едва заметна. Иначе говоря, края «мексиканской шляпы» выглядели потрёпанными из-за низкого качества образцов. Современные образцы графена на подложках гексагонального нитрида бора (hBN) обладают гораздо лучшим качеством, и наличие острых сингулярностей ван Хова в них экспериментально подтверждено методами сканирующей зондовой микроскопии и инфракрасной спектроскопии поглощения.

(A) Зависимость энергии электрона от импульса в двухслойном графене, напоминающая мексиканскую шляпу (слева), и энергетическая зависимость плотности состояний (справа). При энергии, соответствующей краю шляпы, плотность электронных состояний (density of states, DoS) стремится к бесконечности. (B) Красным обозначены состояния электронов, которые участвуют в туннелировании в двухслойном графене (слева) и в полупроводнике с «обычными» параболическими зонами (справа). Электроны, которые могут протуннелировать при малом напряжении в графене лежат на кольце, а в полупроводнике с параболическими зонами – лишь в одной точке. Пунктирная линия обозначает туннельные переходы. Красные линии обозначают траектории туннелирующих электронов в валентных зонах (valence band). Разработанная авторами статьи конструкция транзистора уникальна еще по одной причине: для ее создания не требуется химического легирования графена. Химическое легирование - это растворение небольших количеств одного полупроводника в другом, которе служит для увеличения электропроводности. Например, растворение фосфора в кремнии приводит к тому же эффекту, что и растворение соли в воде - получающаяся смесь начинает проводить ток. Операция легирования являетя одной из самых сложных в микроэлектронной технологии. К счастью, двухслойный графен хорошо проводит ток сам по себе; более того, для измнения его проводимости не нужно внедрять инородные вещества - достаточно подать напряжение правильной полярности на так называемые “легирующие затворы” (“doping gates” на рис. 2). Предложенная конструкция транзистора: двухслойный графен (красный слой) переносится на оксид кремния SiO 2 или выращивается на подложке нитрида бора (hBN). Тонкий диэлектрик ZrO 2 (2 нм) отделяет канал транзистора от управляющих затворов. Крайние затворы (doping gates) создают легированные контакты, центральный затвор (control gate) управляет прозрачностью туннельного барьера. Рассчитанная зависимость тока графенового туннельного транзистора от напряжения на затворе. Закрашенная область в 150 мВ - это рабочий диапазон напряжений транзистора, который гораздо уже рабочего диапазона типичных кремниевых транзисторов (500 мВ). Крутизна характеристики предложенного транзистора значительно выше крутизны кремниевых анаологов. Так, чтобы изменить ток кремниевого транзистора в 10 раз, надо приложить как минимум 60 милливольт напряжения на затвор (штрихования линия показывает предел крутизны для таких транзисторов). В графеновом транзисторе достаточно приложить 20 микровольт напряжения на затвор, чтобы изменить ток на порядок.

При оптимальных условиях графеновый транзистор может менять силу тока в цепи в тридцать пять тысяч раз при колебании напряжения на затворе всего в 150 милливольт.

«Это означает, что транзистор требует меньше энергии для переключения, меньше энергии требуют микросхемы, меньше выделяется тепла, нужны менее мощные системы охлаждения, а тактовую частоту можно повысить, не опасаясь, что избыточное тепло разрушит микросхему» , - говорит Свинцов.

Сотрудники из МФТИ, Физико-технологического института РАН и Университета Тохоку (Япония) предложили новую конструкцию туннельного транзистора на основе двухслойного графена и с помощью моделирования доказали, что этот материал является идеальной платформой для низковольтной электроники.

Полученные результаты авторы обсуждают в статье, опубликованной в журнале Scientific Reports. Наиболее значительным из них является уменьшение потребления энергии, позволяющее, согласно расчётам, увеличить трактовую частоту процессоров на два порядка величины.

Энергетические зоны двухслойного графена, имеют вид «сомбреро», и плотность электронов, которые можно разместить вблизи его загнутых краев, стремится к бесконечности. Благодаря этой особенности, называемой сингулярностью ван Хова, огромное число электронов с краев начинают туннелировать при приложении небольшого напряжения, что приводит к рекордно низкому энергопотреблению. При оптимальных условиях графеновый транзистор может изменять ток в десятки тысяч раз при колебании напряжения на затворе всего 150 милливольт.

Важной особенностью предложенного транзистора является использование «электрического легирования» (полевого эффекта) для создания туннельных p-n-переходов. Дополнительные электроны (или дырки) появляются в графене благодаря притяжению между близлежащими допинговыми шлюзами (doping gates).

Создание транзисторов, способных переключаться при малых напряжениях (менее 0,5 вольт) является одной из серьезнейших задач современной электроники. Наиболее перспективные варианты это туннельные транзисторы, в которых, в отличие от классических транзисторов, электроны не «перепрыгивают», а «просачиваются» сквозь энергетический барьер, благодаря квантовому эффекту туннелирования. Однако в большинстве полупроводников туннельный ток очень мал, и это не позволяло использовать туннельные транзисторы в реальных схемах.

Читайте также: