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giovedì 1 ottobre 2009

Grafene più “silenzioso” del silicio

La prima distinzione necessaria da fare, in un circuito elettrico, è quella tra rumore e disturbo, per rumore solitamente si intende l’insieme dei segnali di origine interna, mentre i disturbi sono i segnali che provengono dall'esterno. Secondo quanto definito nel dizionario del IEEE ( Institute of Electrical and Electronic Engineers), il rumore in un sistema elettrico si può considerare come l’insieme di tutte le perturbazioni indesiderate che si sovrappongono al segnale utile e tendono a mascherarne il contenuto. Quindi in elettronica per rumore spesso si indica l’agitazione che hanno gli atomi e gli elettroni a causa della agitazione termica, dell’intrappolamento e del rilassamento dei portatori.
In modo analogo a livello macroscopico il rumore dei sistemi elettrici può essere rappresentato, per far comprendere meglio il fenomeno, dalle bolle generate in un becher pieno d’acqua posto sopra un fornello. Infatti, appena il fornello è acceso si nota l'appannamento del becher, dopo pochi minuti l'appannamento scompare e la temperatura dell'acqua sale, all’inizio in modo regolare, poi più lentamente finché, raggiunti i 100 °C, si stabilizza mentre l'acqua comincia a bollire vigorosamente.
Tornando all’elettronica, si può dire che la sorgente di rumore più comune nei dispositivi elettronici è il rumore termico, questo è intrinseco in ogni elemento dissipativo, come ad esempio il resistore, che si trova ad una temperatura diversa dallo zero assoluto. Si è soliti intendere, per convenzione, come rumore interno solo quello termico, poiché questo ultimo è la principale sorgente del rumore interno. In realtà in elettronica si considerano altri rumori come, ad esempio, il rumore shot prodotto dai portatori di carica quando attraversano una barriera di potenziale come nelle giunzioni p-n. Dal punto di vista pratico e funzionale il rumore presente nei circuiti elettronici limita la massima risoluzione strumentale del sistema in cui essi sono inseriti, come succede nel caso di elevati livelli di rumore, al suono distorto di un altoparlante, o al degrado di un’immagine di un sistema televisivo.
I transistor moderni, che compongono la quasi totalità dei sistemi elettronici, sono divisi in due categorie principali i transistor bipolari (BJT) e i transistor ad effetto di campo (FET). Nel transistor bipolare il meccanismo di amplificazione dipende dai portatori minoritari (controllati dalla corrente o tensione di base), mentre i FET sono più semplicemente resistenze variabili controllate dal gate.
La loro progressiva riduzione dimensionale, coerente con la prima legge di Moore, spalanca le porte alle nanotecnologie nei sistemi elettronici, evidenziando nuovi problemi progettuali che possono mettere a rischio l’affidabilità stessa del componente.
Possiamo considerare il "nanoscaling" come una progressione che mette in contrapposizione due definizioni di nanotecnologia. Secondo la prima, strettamente dimensionale, è nanotecnologia ciò che produce componenti sotto i 100 nanometri o miliardesimi di metro. Per la seconda definizione, più scientifica e massimalista, la nanotecnologia è ciò che manipola componenti in modo da cambiarne le proprietà, sfruttando effetti quantistici a livello nanometrico.
In ogni caso, la corsa verso la riduzione dimensionale dei circuiti integrati è in pieno svolgimento, e con essa tutti i problemi correlati tra cui la riduzione del rumore elettrico.
Uno dei maggiori problemi legati all'uso dei sempre più ridotti componenti nanotech è la relazione inversa tra le dimensioni del dispositivo e la quantità di rumore elettrico incontrollato che viene generato, infatti, più sono ridotti nelle dimensioni, tanto più cresce il rumore.
La crescita del rumore è dovuta alle cariche elettriche che rimbalzano intorno al materiale e che causano molteplici interferenze, vanificando l'utilità del dispositivo stesso. Questo fenomeno è noto come Effetto Hooge e si verifica nei dispositivi tradizionali costituiti da silicio.
A dimensioni nanometriche, l'impatto sul rumore dell'Effetto Hooge è molto amplificato, perché le dimensioni si avvicinano a quelle di pochi atomi, e il rumore generato può essere superiore al segnale elettrico che si deve ottenere. Si può pertanto asserire che a livello nanometrico il rumore coincide con il segnale, in altre parole, non è possibile produrre alcun dispositivo elettronico, utile a dimensioni nanometriche, se il rumore è paragonabile al segnale che si sta tentando di generare.
Per risolvere questo problema i ricercatori IBM hanno scoperto che il rumore nei dispositivi semiconduttori basati sul grafene può essere quasi totalmente soppresso. Nei loro esperimenti hanno scoperto che utilizzando due fogli di grafene, posti uno sopra l'altro, al posto di un solo strato, come è stato fatto nelle progettazioni precedenti, il rumore è ridotto in modo significativo.
Questi risultati sperimentali consentiranno l’incremento dell’utilizzo del grafene al posto del silicio, per realizzare semiconduttori più efficienti da destinare alla fabbricazione di sensori, di sistemi informatici e di comunicazione.