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IBM: dimostrazione di un transistor in grafene da 100GHz
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IBM: dimostrazione di un transistor in grafene da 100GHz
di Andrea Bai pubblicata il 08 Febbraio 2010, alle 15:52 nel canale Processori
“IBM ha realizzato un transistor in grafene caratterizzato dalla più elevata frequenza di cut-off mai raggiunta prima d'ora”


Un gruppo di ricercatori di IBM Research ha recentemente pubblicato su Science la dimostrazione della realizzazione di un transistor in grafene a radio frequenza con una frequenza di cut-off di 100 miliardi di cicli al secondo (100 GHz), la più elevata mai raggiunta fino ad ora.

Questo risultato rappresenta un traguardo chiave per il programma Carbon Electronics for RF Applications (CERA), fondato dal DARPA - Defense Advanced Research Projects Agency- allo scopo di supportare lo sviluppo della prossima generazione di dispositivi di comunicazione.

L'elevata frequenza record è stata raggiunta grazie all'impiego di grafene fatta crescere in maniera epitassiale su tutta la superficie del wafer, utilizzando tecnologie di processo compatibili con quelle impiegate nella produzione di dispositivi di silicio avanzati.

T.C. Chen, vicepresidente della divisione Science and Technology, IBM Research, ha dichiarato: "Un vantaggio chiave della grafene è rappresentato dall'elevata mobilità degli elettroni, caratteristica essenziale per realizzare la prossima generazione di transistor ad elevate velocità e prestazioni. Il traguardo che abbiamo raggiunto dimostra chiaramente che la grafene può essere utilizzata per realizzare dispositivi ad elevate prestazioni e circuiti integrati".

La grafene è uno strato di carbonio dello spessore di appena un atomo legato in una struttura sagonale simile ad un nido d'ape. Questa forma di carbonio bidimensionale è caratterizzato da proprietà ottiche, termiche e meccaniche uniche, le cui applicazioni tecnologiche saranno presto esplorate con grande attenzione.

Wafer di grafene uniformi e di alta qualità sono stati sintetizzati dalla decomposizione termica di un substrato di carburi di silicio (SiC). Il transistor di grafene stesso utilizza un'architettura metal top-gate e un nuovo isolante di gate che prevede l'impiego di un polimero e un ossido ad elevata costante dielettrica.

La lunghezza del gate è di 240 nanometri, una caratteristica che lascia ampio spazio ad ottimizzazioni future semplicemente riducendo la lunghezza del gate. A tal proposito è interessante sottolineare come la frequenza di cut-off raggiunta in questa dimostrazione sia superiore, a parità di lunghezza del gate, alla frequenza di cut-off ottenuta con i migliori transistor prodotti in maniera tradizionale, che arriva ad essere di 40GHz.


PS. 100 GHz ? beh.. a noi ne abbasta uno no ?

Uhm... Dovrò cambiare dissipatore?

Beh... è a 240 nanometri... consumerà come un forno industriale =P

P.S. Domandina da niubbo: il calore prodotto dai processori è dovuto all'attrito degli elettroni, al lavoro dei transistor o a cos'altro?

Ecco, appunto, in teoria calore e frequenza non sono necessariamente legati, ma onde evitare di sparare un liscio clamoroso, lascio la parola al nostro informatico travestito (da fisico ) cenit (o chiunque sappia qualcosa in quest'ambito)...

akd ha scritto:

Ecco, appunto, in teoria calore e frequenza non sono necessariamente legati, ma onde evitare di sparare un liscio clamoroso, lascio la parola al nostro informatico travestito (da fisico ) cenit (o chiunque sappia qualcosa in quest'ambito)...

ho notato il thread solo ora!
hihi! mi cogli impreparato! posso riprovare l'esame più avanti? ho chiesto qui al volo a chi mi sta accanto ma non è uscito niente di meglio dell'effetto joule (che però mi risulta, a me, essere valido solo per i conduttori!)

comunque in sé penso che il calore sia dato come sempre dalla dissipazione dell'energia cinetica che gli elettroni guadagnano dal campo elettrico in urti interni al dispositivo... cioè lo stesso motivo per cui il filamento delle vecchie lampadine diventa incandescente...
ma magari c'è anche altro! mi informerò...


ps: ma Tesla che fine ha fatto? (non ricordo il nick di quel ragazzo che le sparava grossissime ma che alla fine era l'unico a farmi parlare di fisica, ricordo solo l'avatar...)

Venturini Dario ha scritto:

Beh... è a 240 nanometri... consumerà come un forno industriale =P

P.S. Domandina da niubbo: il calore prodotto dai processori è dovuto all'attrito degli elettroni, al lavoro dei transistor o a cos'altro?

L'effetto Joule c'entra fino ad un certo punto. La formazione di calore all'interno dei transistor avviene per diversi motivi (che adesso non ho tempo di spiegare) comunque c'entra con il movimento degli elettroni all'interno delle zone drogate diversamente.

Se volete saperne di più io fino all'inizio della settimana prossima non ho tempo, dopo posso provarvi a spiegare qualcosa, però l'argomento non è semplice

Vabbè, basta una roba per niubbi... non esagerare Andrea! =P

Venturini Dario ha scritto:

Vabbè, basta una roba per niubbi... non esagerare Andrea! =P

Ok, capo!

Due link, il primo proprio:

www.hwupgrade.it/new...i-sistemi-power-7_31543-10.html#commenti

il secondo derivato, forse è utile al discorso su frequenza e calore:

www.hwupgrade.it/new...za-il-primo-laser-al-germanio_31542.html

Venturini Dario ha scritto:

Beh... è a 240 nanometri... consumerà come un forno industriale =P

P.S. Domandina da niubbo: il calore prodotto dai processori è dovuto all'attrito degli elettroni, al lavoro dei transistor o a cos'altro?

Risp.Veloce:
Guarda post di cenit(dal punto di vista fisico). Nel campo Elettrico/Elettronico dal punto di vista macroscopico il calore prodotto dal passaggio di corrente attraverso un componente è dovuto alla sua Resistenza appunto al passagio di tale corrente.

Risp. Palestra sul movimento degli elettroni nei semiconduttori:
Dario per trattarlo per come si deve direi che un post non è la forma/sede più adatta come giustamente sostiene morse--come spesso succede nelle scienze concrete/esatte/positive non è un discorso botta-risposta ma di continuità pena l' incomprensione-- ma mettendo in dura prova la mia capacità di sintesi(LOL storicamente assente), sfruttando un t medio sufficientemente lungo, cercando di non riportare matematiche --anche se cosi il compito diventa quasi abnormemente loquace il che da una parte va contro il criterio di sopra circa la sintesi e dall' altra si perde in precisione--, ed il tomboy notes come backup vediamo cosa ne esce fuori.Spero bene
Pazienti e bbonni mi raccomando:asd:

• Classifica dei materiali in funzione della loro resistività( R[Ohm] ):
  conduttori --> 10 ^-7 -10 ^-8 Ohm
  isolanti --> 10^4 - 10^14 Ohm
  semiconduttori --> 10 ^-3 - 10^3 Ohm
  Si(silicio) --> 2.3 * 10^3 Ohm a 27° C
  Ge(germanio) --> 0.45 Ohm a 27° C
• Coll' aumentare della T (in un ristretto range di temperatura cmq) varia la R
  • La R di un conduttore aumenta
  • La R di un isolante rimane pressoché cost.
  • La R di un semiconduttore decrementa
  Per ciò che riguarda Si e Ge aumentando la T sopra i 23-25°C(T ambiente) arriviamo in una T critica in cui si comportano come conduttori(perdendo quindi il vantaggio di poterli utilizzarli come semiconduttori) Per Si la Tcr=150° C - 200° C e per Ge è =75° C - 90° C.
  Al di sotto invece dei 23°C si incorre nella problematica opposta in cui il materiale semiconduttore diventa isolante
• 
  Semiconduttori di tipo n e p
  doping: è il processo di immissione controllata di modestissime quantità(1 parte di impurità in 10^5 - 10^8 parti di semic. puro dipende dalla resistività del materiale che ci viene richiesta) di impurità nel semiconduttore puro
  semiconduttore n-type: Le impurità immesse(n-type) nel Ge o Si spaziano da Antimonio,Fosforo ad Arsenico
  semiconduttore p-type: Le impurità qui sono Indio, Alluminio, Boro.
  Fisica elementare dei semiconduttori: Nei materiali semiconduttori il (num dei portatori di carica) / (unità di V) (ossia la densità dei portatori di carica) è scarso. Ciò è dovuto alla struttura a 4 ellettroni(di valenza) degli atomi ossia ai forti legami covalenti fra gli atomi adiacenti(che formano strutture tetraedrali che fissano gli e al loro posto).
  Antimonio,Fosforo ed Arsenico dispongono 5 e di valenza. Quando faccio il doping di un semicond. puro con impurità(pentavalenti) non faccio altro che introdurre molti atomi di As, Ph, An nella struttura tetraedrale del semicond. puro il che in altre parole vuol dire che il quinto e di valenza degli atomi di impurità è (relativamente)libero di muoversi non essendo legato e quindi condurre corrente(considerando che il loro num è quanti sono gli atomi di impurità introdotti nel semicond. puro). Si dice che l' atomo di impurità "dona" portatori di carica che in questo caso sono elettroni.E' per questo che il materiale semicond. doppato si chiama di tipo n(perchè contiene e liberi di muoversi e di conseguenza di condurre corrente sotto opportune condizioni).
  D' altro canto Indio, Alluminio e Boro dispongono di 3 e di valenza e quando si usano come impurità nel semicond. puro come sopra vanno a rimpiazzare molti dei suoi atomi solo che qui abbiamo che uno dei 4 legami covalenti fra gli atomi dell' impurità e quelli del semicond. puro rimane libero perchè da parte dell' atomo d' impurità manca 1 elettrone(3 e di valenza nell' atomo di impurità contro i 4 e dell' atomo di Ge o Si puro). Questa deficienza di 1 e da parte della sostanza dopante si chiama hole (lacuna) e il semicond. cosi dopato si chiama di tipo p. E' come il dopante donasse holes --al semiconduttore puro-- che a sua volta è un portatore di carica positiva come fosse un' "antielettrone" (il che è un' astrazione ovviamente scusa cenit ) se il semicond. dopato venisse messo sotto una differenza di potenziale.
  Ciò che in realtà succede è che gli unici a muoversi sono gli e che da fissi--- ossia dentro il loro legame covalente negli atomi di Ge o Si (del semicond. doppato)-- diventano liberi e sotto lo stimolo di una DeltaV si possono muovere fra una hole e l' altra "donata" dagli atomi dopanti(di impurità) vicini andando cosi a "tappare" la hole. Ma cosi facendo lasciano al loro posto originario un' altra hole ecc.
  In definitiva quindi dal punto di vista fisico è l' elettrone che si muove (sotto applicazione di una differenza di potenziale) ma avendo introdotto il concetto di hole si può dire equivalentemente che la hole si muove(o è come se si muovesse realmente) in direzione opposta a quella dell' elettrone. In altre parole se l' e si muove(sotto opportuna differenza di potenziale) da A(posizione di origine dentro un legame covalente) verso un punto molto vicino B(ove si trova una hole) lascia ad A una hole ossia una posizione vuota pronta ad essere occupata da un altro e vicino che si sposta da C che a su volta lascia una hole ecc.Come si vede è come la hole si spostasse nella direzione opposta a quella in cui si sposta l' e.
• 
  La giunzione p-n
  Come si intuisce dal nome qui il semiconduttore viene costituito(assumo che vengono uniti 2 semiconduttori dopati separati costituendo una parte p-type e l'opposta n-type. Ovvio che la realizzazione potrebbe essere/lo è in effetti molto diversa) da due parti.Assumo inoltre che una hole è un portatore di carica + ed un e un portatore di carica -
  Nella zona di giunzione i portatori --di carica-- maggioritari che sono gli e nella parte del semic. n-type si diffondono dentro il materiale semic. p-type (Chi ha fatto un min di fisica sa che un movimento da diffusione ha un verso da un' area ad alta densità verso un area a bassa densità). D' altro canto le hole accettori di e del semicond. p-type si diffondono dentro il semic. n-type sempre per diffusione.
  Dal momento che il materiale n-type ha perso elettroni(a causa della diffusione verso l' altra parte) acquista un potenziale + rispetto al semic. p-type e ciò impedisce un ulteriore movimento degli e verso il semic. p-type. Lo stesso ragionamento vale per il semic. p-type che ha acquisito parecchi e caricandosi - rispetto alla semiparte(del semicondutore p-n) n-type e tende a respingere ulteriori e che gli arrivano dalla parte n-type.
  In definitiva dopo un po di tempo sia gli e sia le hole fermano il loro movimento di diffusione verso la parte opposta perchè adesso prevale la differenza di potenziale che si è formato nella giunzione (chiamato potenziale di contatto). Da ambedue le parti(p-type n-type) l' area nelle vicinanze della giunzione si svuota dai portatori di carica siano essi e o holes(si chiama appunto area di svuotamento) a causa delle ricombinazioni elettrone-hole.
• 
  Polarizzazione diretta ed inversa
  Se applico una tensione esterna diretta(Per reinnalzare velocemente il flusso della corrente di giunzione è sufficiente un innalzamento di 0.6V per il Si e 0.2V per Ge) --polarizzazione diretta--(faccio + la parte p della giunzione e - la parte n) su una giunzione p-n essa si contrappone(è opposta) al potenziale di contatto(che si era instaurata nella giunzione) assottigliando/chiudendo il gap della zona di svuotamento(che faceva da tapo, R nel passaggio dei portatori di carica) e quindi facendo si che adesso elettroni e holes possono di nuovo attraversare la giunzione facendo di nuovo scorrere corrente.
  Se invece applico la tensione esterna opposta --polarizzazione inversa-- (faccio + la parte n della giunzione e + la parte n) faccio si che adesso la tensione applicata esternamente ha la stessa polarità della tensione di contatto e quindi è come se nella zona di contatto della giunzione avessi una differena di potenziale di contatto quella che c'era prima + quella applicata. In altre parole la zona di svuotamento diventa più spessa cioè il gap per il passagio dei portatori di carica aumenta. Situazione opposta rispetto a prima. Quindi non scorre nessuna corrente nella giunzione teoricamente.
  Perchè in realtà a T ambiente un certo numero di elettroni dei legami covalenti a causa del calore acquisiscono energia sufficiente da lasciare il legame e diventare e mobili(con corrispondente creazione di holes). Questo processo si chiama generazione di coppie elettrone-hole a causa di eccitazione termica
  Gli e nella parte p-type e le hole nella parte n-type si chiamano portatori --di carica-- minoritari. I portatori minoritari vengono attirati dalla polarizzazione inversa e quindi in pratica una piccola corrente di qualche microampere per il Ge o meno di 1 microampere nel caso di Si(sempre a T ambiente) scorre nella giunzione p-n.

PS: Il mio testo (per i dati di riferimento) è piuttosto vecchiotto ma qui va più che bene.

harrykar ha scritto:

...ma mettendo in dura prova la mia capacità di sintesi(LOL storicamente assente)...

non mi interessa l'argomento tanto da leggermi tutto il post

mi limito a sghignazzare dopo questo fulgido esempio di autoironia

Invece io me lo sono letto!

Eccezionale! Non si finisce mai di imparare!

P.S. Mi sfugge comunque cosa c'entri ciò (premessa a parte) con la creazione di calore =P

in effetti per il calore bastano le primissime righe
il resto è tutta storia di come funziona alla base il trasporto di cariche elettriche in un semiconduttore (e la citazione dell'antielettrone è più che giusta, fai senza scusarti con me né con nessuno, harrykar)

baxnimis ha scritto:

harrykar ha scritto:

...ma mettendo in dura prova la mia capacità di sintesi(LOL storicamente assente)...

non mi interessa l'argomento tanto da leggermi tutto il post

Non ti do torto riguardo l' argomento. Anch' io a suo tempo rimasi spiazzato -- a dirla tutta non senza qualche difficoltà di accettazione-- su come un adolescente appassionato di elettronica finisce ad aver a che fare con "tutta sta roba" più da fisico che a Ing. Ma adesso confermo che è l' abc per qualcuno

mi limito a sghignazzare dopo questo fulgido esempio di autoironia

In realtà è una "deformazione professionale"

Venturini Dario ha scritto:

P.S. Mi sfugge comunque cosa c'entri ciò (premessa a parte) con la creazione di calore =P

Risp. veloce:
Niente di più che un appagamento di una probabile curiosità

Risp:
Finora in riferimento a "..è dovuto all'attrito degli elettroni..." prendilo come apertura della scatola chiusa (semiconduttore) ma in realtà fa da preludio alla fisica quantistica (la teoria finora più verosimile nel campo ma anche come diceva un certo Richard P. Feynman ”I think it is safe to say that no one understands quantum mechanics.”) che sta un po più sotto e che spiega con dovizia di particolari il risultato macroscopico riportato nell' altro post.

cenit ha scritto:

(e la citazione dell'antielettrone è più che giusta, fai senza scusarti con me né con nessuno, harrykar)

L' avevo virgolettato --e ho per correttezza chiesto scusa a chi di fisica ne intende più di me nel qualcaso non fosse capito il significato delle virgolette -- volendolo intendendere non dal punto di vista formale (positrone, di cui non me ne intendo più di tanto) -- ma intuitivo.

harrykar ha scritto:

cenit ha scritto:

(e la citazione dell'antielettrone è più che giusta, fai senza scusarti con me né con nessuno, harrykar)

L' avevo virgolettato --e ho per correttezza chiesto scusa a chi di fisica ne intende più di me nel qualcaso non fosse capito il significato delle virgolette -- volendolo intendere non dal punto di vista formale (positrone, di cui non me ne intendo più di tanto) -- ma intuitivo.