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科學家用鍺生產最靈活自適應晶體管,或開創芯片技術新紀元
文章來源:科技日報     點擊數: 次     更新時間:2021-12-27 14:48

 鍺的特殊性質和專用編程柵電極的使用,使人們有可能為一種開創芯片技術新紀元的新元件制造出原型。據近日發表在美國化學學會《納米雜志》上的研究,奧地利維也納工業大學沒有依靠硅基晶體管技術,而是利用鍺生產出世界上最靈活的晶體管。這種新型自適應晶體管可以在運行時動態切換,能執行不同的邏輯任務。這從根本上改變了芯片設計的可能性,并在人工智能、神經網絡甚至邏輯領域開辟了全新機會。

  電荷在晶體管中的傳輸方式取決于使用的材料:要么是帶有負電荷的自由移動電子,要么是單個原子中可能缺少電子,所以該點是帶正電荷的。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操作。維也納工業大學固態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量接口,我們用一根由鍺制成的極細的導線連接兩個電極。在鍺的上方,我們放置了一個柵電極。具有決定性的一步是,我們的晶體管具有另一個控制電極,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行動態編程。”

  這種器件結構使得分別控制電子和空穴成為可能。西斯塔尼補充道,“使用鍺是因為鍺有一種非常特殊的電子結構:當施加電壓時,電流剛開始會增加,然而,在某一閾值之后,電流再次下降,這被稱為負差分電阻。在控制電極的幫助下,我們可以調節這個閾值所在的電壓。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現所需特性。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,電子設備的智能只是由幾個晶體管的互連實現,而每個晶體管都只有相當原始的功能。在未來,這種智能可以讓新晶體管本身的適應性來實現。由于適應性的提高,以前需要160個晶體管的算術運算現在可以用24個晶體管完成。這樣一來,電路的速度和能效也可以顯著提高。

  總編輯圈點

  晶體管是一種可變電流開關,基于輸入電壓控制輸出電流。與機械開關不同的是,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。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構的元素,讓晶體管更為靈活智能,提高晶體管的適應性。研究人員希望,新晶體管能成為傳統晶體管的得力“助攻”,在節能和提高算力上發揮作用。

 
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