Badacze z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside oraz Rice University skonstruowali pierwszy jednotranzystorowy wzmacniacz z zastosowaniem grafenu. Urządzenie to jest lepsze od wykorzystujących tradycyjne technologie, a to dzięki ambipolarności grafenu, co daje możliwość wykorzystania go w urządzeniach bezprzewodowych lub urządzeniach audio. Przy jego zastosowaniu możliwe byłoby także uproszczenie konstrukcji obwodów analogowych stosowanych w komunikacji elektronicznej.

Jednotranzystorowy wzmacniacz grafenowy

Wzmacniacz jednotranzystorowy, składający się z jednego tranzystora i jednego rezystora, jest jednym z podstawowych elementów stosowanych w układach analogowych. Istnieją trzy rodzaje takich wzmacniaczy: ze wspólną bramką, ze wspólnym drenem oraz ze wspólnym źródłem. Układy te mają różne charakterystyki, zależnie od wzmocnienia małosygnałowego (?Vwy/?Vwe). W układzie ze wspólnym źródłem wzmocnienie jest ujemne, podczas gdy w pozostałych przypadkach jest ono dodatnie.
W zależności od potrzeb stosuje się różne typy wzmacniaczy, jednakże idealny gotowy układ powinien umożliwiać konfigurację do więcej niż jednego rodzaju wzmacniacza. Taka sytuacja nie jest jednakże możliwa w wypadku układów opartych na tranzystorach polowych MOS (MOSFET).

Wzmacniacze grafenowe

Alexander Baladin wraz ze współpracownikami sądzą, że wzmacniacze grafenowe mogłyby wypełnić wspomnianą niszę. Grafen – dwuwymiarowy kryształ utworzony przez atomy węgla o grubości zaledwie jednego atomu – byłby idealny dla przyszłych urządzeń nanoelektronicznych dzięki swym wyjątkowym właściwościom, m. in. znakomitemu przewodnictwu elektrycznemu oraz cieplnemu. Ponadto tranzystory wykonane na bazie grafenu charakteryzują się bardzo wysokimi częstotliwościami odcięcia, sięgającymi powyżej 100GHz, oraz wykazują bardzo niski poziom szumu.
Ponadto grafen jest ambipolarny – znaczy to, że za przewodnictwo odpowiadają dwa rodzaje nośników: dziury oraz elektrony, a dominujący rodzaj nośnika może być zmieniony napięciem bramki. Baladin wyjaśnia, że sytuacja ta jest inna w wypadku tradycyjnych, krzemowych tranzystorów, w których rodzaj nośnika jest ustalony już na etapie produkcji przez zastosowane domieszkowanie.
– Zmiana nośnika przez bramkę jest obrazowana przez dobrze znaną charakterystykę prądowo-napięciową grafenu, mającą kształt litery V. Zjawisko to zwiększa funkcjonalność tranzystorów grafenowych, co wykorzystujemy przy projektowaniu wzmacniaczy. – powiedział Baladin.

Trzy w jednym

Zespól z UCR-Rice University skonstruował urządzenie, które może działać w sposób odpowiadający jednemu z trzech układów (wspólne źródło, wspólny dren, powielacz częstotliwości), w zależności od tego, który punkt pracy tranzystora wybierzemy na jego V-kształtnej charakterystyce ambipolarnej.
– Trzy punkty, które można wybrać, znajdują się odpowiednio na prawej gałęzi charakterystyki, na lewej gałęzi oraz w punkcie minimalnego przewodnictwa, gdzie gałęzie się łączą. – powiedział szef zespołu z Rice University, Kartik Mohnram – Każdy ze wspomnianych punktów wiąże się z odmiennymi właściwościami. Przy projektowaniu naszego urządzenia skorzystaliśmy z możliwości zmieniania punktu pracy podczas działania urządzenia.
Urządzenia takie, działające w trojaki sposób, mogłyby umożliwić powstanie prostszych obwodów zużywających mniej energii, o zmniejszonych efektach pasożytniczych oraz o większym paśmie przenoszenia. Możliwość zmiany sposobu działania urządzenia będzie również ważna dla kluczowania fazy (PSK) oraz kluczowania częstotliwości (FSK), szeroko stosowanych w zastosowaniach audio oraz bezprzewodowych, w tym w Bluetooth, RFID oraz ZigBee.
Badacze planują wykorzystanie bardziej zaawansowanych tranzystorów z bramką górną, które pozwolą na większe wzmocnienie ze względu na mniejszą grubość bramki. Grupa Baladina i Mohanrama już skonstruowała takie tranzystory. Charakteryzują się one niskim poziomem szumu różowego, co jest kluczowe dla zastosowania tranzystorów grafenowych w jakimkolwiek analogowym urządzeniu komunikacyjnym.
– Teraz musimy je zastosować we wzmacniaczach. – dodał Baladin.
– Nasz wynik jest wielkim krokiem naprzód w dziedzinie technologii grafenowych, ponieważ oznacza przejście od pojedynczych urządzeń grafenowych do pełnowartościowych grafenowych układów i czipów. Oczywiście stoi przed nami jeszcze kilka wyzwań, ale naukowcy już pracują nad znalezieniem odpowiednich rozwiązań.
Belle Dumé
Tłumaczenie: Jacek Kopeć