我科學家發明出新型“熱發射極”晶體管

科技日報記者 郝曉明

15日，記者從中國科學院金屬研究所獲悉，該所研究員劉馳、孫東明和中國科學院院士成會明主導的研究團隊合作，發明出一種由石墨烯和鍺等混合維度材料構成的“熱發射極”晶體管，并提出了一種全新的“受激發射”熱載流子生成機制。相關研究成果15日發表在學術期刊《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，其進一步發展的技術挑戰日益增多。

圖為載流子的受激發射效果圖

研究人員介紹，就像水龍頭的閥門可以調節水流的大小，晶體管也能夠調控由電子或空穴等載流子形成電流的大小。通常情況下，載流子與周圍環境處于熱平衡狀態時稱為“穩態”，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，將有望進一步提升晶體管的速度和功能。

研究團隊通過可控調制熱載流子來提高電流密度，發明了一種由石墨烯和鍺等混合維度材料構成的“熱發射極”晶體管，并提出了一種全新的“受激發射”熱載流子生成機制。

據介紹，這款新型晶體管由兩個耦合的“石墨烯/鍺”肖特基結組成。載流子由石墨烯基極注入，隨后擴散到發射極，并激發出受電場加熱的載流子，從而導致電流急劇增加。這一設計使晶體管電流每變化一個數量級，所需的電壓變化小于1毫伏，突破了傳統晶體管的玻爾茲曼極限。此外，該晶體管在室溫下還表現出峰谷電流比超過100的負微分電阻，展示出其在多值邏輯計算中的應用潛力。

研究人員表示，該研究通過可控調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）