如今,每个计算机的核心——晶体管,单个芯片上数量达数十亿——通常都基于约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉·肖克利于 1947 年在贝尔实验室首次制成原型机的概念。物理学家现在已经展示了一种更简单的革命性晶体管设计,该设计最早由奥地利物理学家朱利叶斯·埃德加·莉莉费尔德于 1925 年获得专利,但直到现在才被制成实用的设备。这种更简单的版本可以推动计算机变得更快、功耗更低。
在每个晶体管中,一个名为栅极的电极控制电流是否可以沿半导体条流动,从而定义计算机二进制功能必不可少的“开”或“关”状态。传统上,半导体条的结构像三明治,一层材料夹在另外两种材料层之间。在“关”位置,三明治充当电绝缘体,但栅极可以将其变成导体,通常是通过产生电场。在芯片制造中,三明治是通过掺杂其他元素的硅条获得的。例如,中间部分可以通过添加趋于聚集额外电子的原子来创建;侧面部分获得趋于释放电子的原子。每个部分都可以单独导电,但除非栅极打开,否则电子将拒绝穿过中间部分。
连续部分之间的边界称为结。爱尔兰廷德尔国家研究所的 Jean-Pierre Colinge 说,随着晶体管尺寸的缩小,在掺杂浓度在仅纳米级的距离内发生突变的地方产生清晰的边界正变得越来越具有挑战性。
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因此,一个解决方案是消除这些边界。按照莉莉费尔德的想法,Colinge 和他的团队制造了一种只使用一种掺杂类型,因此没有结的晶体管。这种新器件是一个一微米长的重掺杂硅纳米棒,栅极横跨其中间部分。来自栅极的电场通过耗尽中间部分的电子来关闭晶体管,从而阻止电流通过棒。该团队在三月份的《自然纳米技术》(《大众科学》是自然出版集团的一部分)杂志上描述了他们的成果。
有效地耗尽电子需要纳米棒仅 10 纳米厚,这在最近才成为大规模制造中可能实现的一项壮举。 Colinge 说:“该器件应该能够很容易地集成到硅芯片中”,因为它与现有的制造工艺兼容。他说,无结设计在电流开关方面更有效,这意味着它可以以更低的电压工作,产生更少的热量,并以更快的速度工作。(在几十年持续增长之后,计算机时钟速度在过去几年中基本上停滞在约 3 吉赫兹。)
IBM 沃森研究中心(位于纽约州约克镇高地)物理科学主管托马斯·泰斯表示,如果作者能将无结晶体管做得比目前的一微米短得多,以更好地匹配现有组件,那么它可能会很有用。 Colinge 说,将其缩小到 10 纳米应该是可行的,他的团队正在努力实现这一目标。 Colinge 说,自从该论文发表以来,几家半导体公司都对这种晶体管表现出了兴趣,或许正准备赋予没有边界的未来新的意义。