我科學(xué)家發(fā)明出新型“熱發(fā)射極”晶體管

科技日報(bào)記者 郝曉明

15日，記者從中國科學(xué)院金屬研究所獲悉，該所研究員劉馳、孫東明和中國科學(xué)院院士成會(huì)明主導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)明出一種由石墨烯和鍺等混合維度材料構(gòu)成的“熱發(fā)射極”晶體管，并提出了一種全新的“受激發(fā)射”熱載流子生成機(jī)制。相關(guān)研究成果15日發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《自然》。

晶體管是集成電路的基本單元。隨著晶體管尺寸的不斷縮小，其進(jìn)一步發(fā)展的技術(shù)挑戰(zhàn)日益增多。

圖為載流子的受激發(fā)射效果圖

研究人員介紹，就像水龍頭的閥門可以調(diào)節(jié)水流的大小，晶體管也能夠調(diào)控由電子或空穴等載流子形成電流的大小。通常情況下，載流子與周圍環(huán)境處于熱平衡狀態(tài)時(shí)稱為“穩(wěn)態(tài)”，但通過電場加速等方法，可以提升載流子的能量，使其成為“熱載流子”。如果能夠有效操控這種高能的熱載流子，并提高其濃度，將有望進(jìn)一步提升晶體管的速度和功能。

研究團(tuán)隊(duì)通過可控調(diào)制熱載流子來提高電流密度，發(fā)明了一種由石墨烯和鍺等混合維度材料構(gòu)成的“熱發(fā)射極”晶體管，并提出了一種全新的“受激發(fā)射”熱載流子生成機(jī)制。

據(jù)介紹，這款新型晶體管由兩個(gè)耦合的“石墨烯/鍺”肖特基結(jié)組成。載流子由石墨烯基極注入，隨后擴(kuò)散到發(fā)射極，并激發(fā)出受電場加熱的載流子，從而導(dǎo)致電流急劇增加。這一設(shè)計(jì)使晶體管電流每變化一個(gè)數(shù)量級(jí)，所需的電壓變化小于1毫伏，突破了傳統(tǒng)晶體管的玻爾茲曼極限。此外，該晶體管在室溫下還表現(xiàn)出峰谷電流比超過100的負(fù)微分電阻，展示出其在多值邏輯計(jì)算中的應(yīng)用潛力。

研究人員表示，該研究通過可控調(diào)制熱載流子來提高電流密度，開辟了晶體管器件研究的新領(lǐng)域，為熱載流子晶體管家族增添了新成員。

（圖片由受訪單位提供）