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Transistor al grafene: il transistor più veloce al mondo

Transistor al grafene transistor

IBM Research ha recentemente annunciato di aver realizzato il transistor ad effetto di campo (FET) più veloce al mondo basato sulla tecnologia del grafene, e capace di operare sino alla ragguardevole frequenza di 26 GHz. Secondo i ricercatori IBM, l’elevata mobilità degli elettroni disponibile con i materiali derivati dal carbonio consentirà di raggiungere la dimensione dei terahertz, con frequenze anche superiori a 100 GHz.
La frequenza operativa di 26 GHz è stata raggiunta da un transistor FET al grafene (transistor al grafene) avente una lunghezza di gate approssimativamente pari a 150 nanometri; si tenga presente che la frequenza è inversamente proporzionale al quadrato della lunghezza di gate, per cui riducendo quest’ultima sino ad un valore di 50 nanometri sarebbe possibile raggiungere il campo di frequenza dei terahertz. Il grafene è ottenuto tramite deposizione di atomi di carbonio su un sottile strato di pellicola, impiegando tecniche litografiche tradizionali simili a quelle utilizzate nella fabbricazione dei normali circuiti integrati. Il grafene è un tipo speciale di grafite, composto da un singolo strato di atomi di carbonio impacchettati in una struttura reticolare a nido d’ape. La struttura del grafene è mostrata nella figura seguente.

Transistor al grafene

Come sono riusciti i ricercatori dell’IBM a raggiungere un valore di frequenza così elevato? Anzitutto, la velocità operativa di un transistor può essere aumentata intervenendo su due fattori primari:

    1. Riducendo le dimensioni del transistor. Questo approccio è stato largamente adottato nel passato per aumentare la frequenza operativa dei comuni transistor basati sul silicio.
    2. Aumentando la velocità con cui gli elettroni si muovono all’interno del materiale. Questo è un vantaggio sostanziale della tecnologia basata sul grafene: in questo tipo di materiale, infatti, gli elettroni si muovono a velocità molto elevate, permettendo la realizzazione di transistor con elevate valori di velocità e prestazioni.

La ricerca è stata parzialmente sponsorizzata dal Darpa (Defense Advanced Research Projects Agency), con lo scopo di sviluppare sistemi di comunicazione con lunghezza d’onda dell’ordine del millimetro, in grado di operare a frequenze pari a 100 GHz o superiori, ed impiegando transistor al grafene.

Nei prossimi anni la ricerca si pone l’obiettivo di ridurre le dimensioni dei dispositivi elettronici e sarà principalmente focalizzata sulle nanotecnologie come quelle che si possono ottenere con il grafene. I dispositivi elettronici basati sulle tecnologie al silicio vedranno I propri progressi diminuire o addirittura arrestarsi nei prossimi anni, dal momento che i ricercatori avranno a che fare con problemi di instabilità e dipendenza dalla temperatura al di sopra di certe dimensioni limite della struttura. Questi tipi di problemi non riguardano materiali come il grafene.

Come mostrato nella precedente immagine, il grafene è una forma allotropica del carbonio e consiste in un reticolo di celle esagonali aventi lo spessore di un singolo atomo. Il grafene non è un materiale completamente sconosciuto o esotico: la grafite che si trova all’interno delle comuni matite è infatti composta da una pila di piani di grafene, legati assieme da deboli forze di Van Der Waals. Nel grafene, tuttavia, gli atomi sono tenuti assieme da legami covalenti molto forti, tali da renderlo il materiale più resistente oggi disponibile. Un cristallo di grafene può essere considerato non solo nella forma planare, come mostrato nell’immagine, ma anche in una forma arrotolata, nota anche con il termine nanotubo. Nonostante siano facili da trovare e conosciuti da diversi anni, I cristalli di grafene sono difficili da isolare proprio perchè sono sottili come un singolo atomo.

Nel 2004, all’Università di Manchester, era già stato realizzato un transistor al grafene con un solo elettrone. Questo tipo di transistor è estremamente veloce (grazie alle sue esigue dimensioni del componente e all’alta velocità raggiunta dalle particelle) e possiede un assorbimento di corrente molto basso (grazie alla bassa tensione di alimentazione e alla bassa resistività del materiale). Il primo transistor al grafene, tuttavia, era affetto da un’elevata dispersione dovuta all’imprecisione con cui era realizzato il substrato di grafene, e ciò comportava un basso rapporto tra gli stati di conduzione e interdizione. Recentemente, I ricercatori della Princeton University sono stati in grado di mettere a punto una tecnica che produce piani di grafene con un rapporto on/off superiore a 100000:1. I ricercatori IBM sostengono che ci vorranno almeno 10-15 anni prima la tecnologia basata sul grafene abbia un impatto significativo sul mondo dell’elettronica.

Secondo gli esponenti del DARPA, il programma CERA (Carbon Electronics for RF Applications) condurrà alla realizzazione di transistor ad effetto di campo basati sul grafene, con caratteristiche di elevata velocità e basso assorbimento di corrente; questo tipo di transistor troverà il suo principale impiego in circuiti a radiofrequenza operanti a lunghezze d’onda dell’ordine del millimetro. Gli innumerevoli vantaggi offerti dal grafene (elevata mobilità e velocità, capacità di portare elevate correnti, buona conduttività termica, geometria ridotta, elevate frequenze di cut-off, elevata transconduttanza, basso rumore, bassa tensione di alimentazione) daranno l’ opportunità di ottenere applicazioni nel campo RF con elevate prestazioni e densità di integrazione.

Il programma CERA ha pianificato lo sviluppo di un amplificatore a basso rumore in banda W (frequenze superiori a 90 GHz) che farà uso di transistor al grafene realizzati su wafer con diametro superiore a 8 pollici. Inoltre, se il transistor al grafene potrà operare in un range di temperatura più ampio rispetto a quello del modello equivalente basato sul silicio, sarà possibile realizzare dispositivi elettronici maggiormente compatti per applicazioni di alta potenza.

Ad oggi i transistor MOSFET vengono costruiti collegando in parallelo centinaia di migliaia di transistors. Se in futuro la tecnologia del grafene potrà essere applicata anche ai transistor per alte potenze, sarà possibile ottenere dispositivi di potenza più economici, più piccoli, e più veloci.

In onore del premio nobel per la fisica, appena assegnato, ripubblichiamo un nostro articolo del 2009.

 

 

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ritratto di R2D2

WaferStrasse

Avrei preferito un VaniglienWaffer
ma mi accontentero' di questo....

ritratto di @Facebook

Qualcuno sa se il grafene (o

Qualcuno sa se il grafene (o i materiali dai quali proviene) sono fra quelli di cui la Cina ha il monopolio? ;)

Angelo Pallanca @Facebook

ritratto di @Facebook

Aha no!! Fortunatamente il

Aha no!! Fortunatamente il grafene lo possiamo fare a casa nostra. Purtroppo però farlo in Cina costerà meno di manodopera e quindi...

Guido Degrassi @Facebook

 

 

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