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Les transistors en graphène basés sur une résistance négative pourraient signifier la fin du silicium et des semi-conducteurs – High-teK.ca

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On a beaucoup parlé des transistors au graphène et de la façon dont ils pourraient un jour permettre la création de puces informatiques des centaines de fois plus rapide que la récolte actuelle de pièces à base de silicium de pointe. Avec le silicium qui s’essouffle rapidement et pas de chemin clair au-delà de 14nm, le graphène pourrait bien être la lumière au bout du tunnel. Pour que cela se produise, cependant, nous devons d’abord transformer le graphène en un semi-conducteur fiable ; les plus grands chimistes et physiciens du monde doivent se réunir et s’entraîner comment désactiver le graphène. Cela s’avère beaucoup plus difficile qu’il n’y paraît – mais maintenant, grâce à un effet fantaisiste appelé résistance négative, des chercheurs de l’Université de Riverside, en Californie (UCR) l’ont peut-être déchiffré.

Tous les semi-conducteurs, qu’il s’agisse de silicium ou un matériau fantaisie III-V tel que l’arséniure de gallium, doivent leurs propriétés semi-conductrices à leur bande interdite. Une bande interdite est essentiellement une certaine différence d’énergie (mesurée en électronvolts), jusqu’à laquelle les électrons ne peuvent pas circuler à travers un matériau. Tant que la différence de tension reste inférieure à un certain niveau, le matériau agit comme un isolant. À un certain point, cependant, la différence d’énergie atteint un point (la bande interdite) où il y a suffisamment d’énergie pour libérer les électrons de la coque externe du matériau, créant une mer d’électrons qui agissent comme porteurs de charge. En d’autres termes, lorsque la bande interdite est franchie, le semi-conducteur s’allume.

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Malheureusement, le graphène n’a pas de bande interdite ; c’est juste vraiment, vraiment conducteur tout le temps. Cela pourrait le rendre utile pour d’autres applications, mais certainement pas pour les transistors, où les propriétés semi-conductrices sont tout à fait essentielles. (Incidemment, l’image ci-dessus est le tout premier transistor produit par Bell Labs en 1947). Des groupes de recherche du monde entier tentent actuellement d’induire une bande interdite artificielle dans le graphène, généralement par dopage ou contrainte mécanique, mais ces approches se sont toutes heurtées à des niveaux d’échec variables.

Nouveaux circuits, basés sur des transistors en graphène à résistance négative non booléenne

Nouveaux circuits, basés sur des transistors en graphène à résistance négative non booléenne

Prenant une approche entièrement différente, Guanxiong Liu et ses collègues chercheurs de l’Université de Californie à Riverside ont conçu un transistor au graphène qui supprime la bande interdite, s’appuyant plutôt sur un nouveau phénomène qui n’a pas été utilisé par les transistors auparavant. Fondamentalement, dans certaines conditions, une augmentation du courant entrant dans un morceau de graphène peut (de manière contre-intuitive) faire chuter la tension aux bornes du circuit. Cette baisse de tension, appelée résistance différentielle négative, peut être utilisée pour effectuer une logique, un peu comme un transistor inversé. Selon les chercheurs de Riverside, les portes logiques (et donc les puces complètes) construites à partir de ces transistors inversés pourraient être beaucoup plus denses, plus efficaces pour certaines tâches et fonctionner à des vitesses terrifiantes (400+ gigahertz).

Maintenant, bien sûr, ils doivent en fait construire un circuit à partir de ces transistors au graphène inversé. Ils ont prouvé expérimentalement qu’une résistance négative se produit dans le graphène, mais ils doivent maintenant construire des portes XOR à partir de ce matériau. Si cela se concrétise, selon les chercheurs, cela « pourrait conduire à un changement conceptuel dans la recherche sur le graphène, prouvant une voie alternative pour les applications du graphène dans le traitement de l’information ». En bref, les transistors au graphène à 400 GHz sont désormais une possibilité distincte – bien que, comme toujours avec toute technologie non basée sur le silicium, il faudra encore au moins 10 ans avant que nous ayons les machines et l’expertise nécessaires pour construire des dispositifs à base de graphène avec le même niveau de complexité que les puces modernes. (Voir: Hype-kill : le graphène est génial, mais très loin de remplacer le silicium.)

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Document de recherche: arXiv:1308.2931 – « Circuits logiques non booléens à base de graphène »

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