鍺的特殊性質(zhì)和專用編程柵電極的使用，使人們有可能為一種開創(chuàng)芯片技術(shù)新紀(jì)元的新元件制造出原型。據(jù)近日發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會(huì)《納米雜志》上的研究，奧地利維也納工業(yè)大學(xué)沒有依靠硅基晶體管技術(shù)，而是利用鍺生產(chǎn)出世界上最靈活的晶體管。這種新型自適應(yīng)晶體管可以在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)切換，能執(zhí)行不同的邏輯任務(wù)。這從根本上改變了芯片設(shè)計(jì)的可能性，并在人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)甚至邏輯領(lǐng)域開辟了全新機(jī)會(huì)。
電荷在晶體管中的傳輸方式取決于使用的材料：要么是帶有負(fù)電荷的自由移動(dòng)電子，要么是單個(gè)原子中可能缺少電子，所以該點(diǎn)是帶正電荷的。這就是所謂的“空穴”。
在新型晶體管中，電子和空穴以一種非常特殊的方式同時(shí)操作。維也納工業(yè)大學(xué)固態(tài)電子研究所博士后研究員馬西亞爾·西斯塔尼解釋道：“通過極其干凈的高質(zhì)量接口，我們用一根由鍺制成的極細(xì)的導(dǎo)線連接兩個(gè)電極。在鍺的上方，我們放置了一個(gè)柵電極。具有決定性的一步是，我們的晶體管具有另一個(gè)控制電極，該電極放置在鍺和金屬之間的界面上。它可以對晶體管的功能進(jìn)行動(dòng)態(tài)編程。”
這種器件結(jié)構(gòu)使得分別控制電子和空穴成為可能。西斯塔尼補(bǔ)充道，“使用鍺是因?yàn)殒N有一種非常特殊的電子結(jié)構(gòu)：當(dāng)施加電壓時(shí)，電流剛開始會(huì)增加，然而，在某一閾值之后，電流再次下降，這被稱為負(fù)差分電阻。在控制電極的幫助下，我們可以調(diào)節(jié)這個(gè)閾值所在的電壓。這提供了新的自由度，我們可以利用這一自由度讓晶體管實(shí)現(xiàn)所需特性。例如，可以將邏輯電路中的與非門切換到或非門。”
到目前為止，電子設(shè)備的智能只是由幾個(gè)晶體管的互連實(shí)現(xiàn)，而每個(gè)晶體管都只有相當(dāng)原始的功能。在未來，這種智能可以讓新晶體管本身的適應(yīng)性來實(shí)現(xiàn)。由于適應(yīng)性的提高，以前需要160個(gè)晶體管的算術(shù)運(yùn)算現(xiàn)在可以用24個(gè)晶體管完成。這樣一來，電路的速度和能效也可以顯著提高。
總編輯圈點(diǎn)
晶體管是一種可變電流開關(guān)，基于輸入電壓控制輸出電流。與機(jī)械開關(guān)不同的是，它利用電信號來控制自身的開合。一直以來，硅都是制作晶體管的絕對主力，近年來，砷化鎵、氮化鎵、石墨烯……人類尋找新材料的努力也在持續(xù)。本文所提到的研究并非要尋找一種晶體管新材料，而是引入鍺這種具有特殊電子結(jié)構(gòu)的元素，讓晶體管更為靈活智能，提高晶體管的適應(yīng)性。研究人員希望，新晶體管能成為傳統(tǒng)晶體管的得力“助攻”，在節(jié)能和提高算力上發(fā)揮作用。
