美首次制造出不使用半導(dǎo)體的晶體管

據(jù)美國每日科學(xué)網(wǎng)站6月21日報道，美國科學(xué)家首次利用納米尺度的絕緣體氮化硼以及金量子點，實現(xiàn)量子隧穿效應(yīng)，制造出了沒有半導(dǎo)體的晶體管。該成果有望開啟新的電子設(shè)備時代。

幾十年來，電子設(shè)備變得越來越小，科學(xué)家們現(xiàn)已能將數(shù)百萬個半導(dǎo)體集成在單個硅芯片上。該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、密歇根理工大學(xué)的物理學(xué)家葉躍進(音譯)表示：“以目前的技術(shù)發(fā)展形勢看，10年到20年間，這種晶體管不可能變得更小。半導(dǎo)體還有另一個先天不足，即會以熱的形式浪費大量能源。”

科學(xué)家們嘗試使用不同材料和半導(dǎo)體設(shè)計方法來解決上述問題，但都與硅等半導(dǎo)體有關(guān)。2007年，葉躍進開始另辟蹊徑，制造沒有半導(dǎo)體的晶體管。葉躍進說：“我的想法是用納米尺度的絕緣體并在其頂部安放納米金屬來制造晶體管，我們選擇了氮化硼碳納米管(BNNTs)做基座。”隨后，他們使用激光，將直徑為3納米寬的金量子點(QDs)置于氮化硼碳納米管頂端，形成了量子點—氮化硼碳納米管(QDs-BNNTs)。對于金量子點來說，氮化硼碳納米管是完美的基座，其尺寸小、可控而且直徑一致，同時還絕緣，也能對其上的量子點大小進行限制。

研究人員同橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的科學(xué)家們攜手合作，在室溫下讓量子點—氮化硼碳納米管兩端的電極通電。有趣的事情發(fā)生了：電子非常精確地從一個量子點跳到另一個量子點這就是量子隧穿效應(yīng)。葉躍進表示：“這種設(shè)備的穩(wěn)定性非常好。”

葉躍進團隊利用這一設(shè)備制造出了一種晶體管，其中沒有半導(dǎo)體的“身影”。當(dāng)施加足夠的電壓時，其會打開到導(dǎo)電狀態(tài);當(dāng)電壓低或關(guān)閉時，它會恢復(fù)到其天然的絕緣體狀態(tài)。而且，這一設(shè)備沒有“漏網(wǎng)之魚”：沒有來自金量子點的電子逃進絕緣的氮化硼碳納米管內(nèi)，因此，隧道會一直保持冷的狀態(tài)。而硅常遇到泄露，使電子設(shè)備中的大量能量以熱的形式被浪費掉。

密歇根理工大學(xué)的物理學(xué)家約翰·雅什查克為新的晶體管研究出了理論框架。他表示，此前也有其他科學(xué)家利用量子隧穿制造出了晶體管，但這些設(shè)備只在液氦溫度(4.2K)下工作，而新設(shè)備則可以在室溫下工作。

葉躍進的金—納米管設(shè)備的秘密就在于“小”：其僅有1微米長、20納米寬。雅什查克解釋道：“這個金島的寬度必須在納米級別，這樣才能在室溫下控制電子。如果它們太大，有很多電子可以在其上流動。從理論上而言，當(dāng)電極之間的距離近到幾分之一微米時，這些隧道可以小到接近零。”