科学家用锗生产最灵活自适应晶体管
或开创芯片技术新纪元
科技日报北京12月23日电 (实习记者张佳欣)锗的特殊性质和专用编程栅电极的使用，使人们有可能为一种开创芯片技术新纪元的新元件制造出原型。据近日发表在美国化学学会《纳米杂志》上的研究，奥地利维也纳工业大学没有依靠硅基晶体管技术，而是利用锗生产出世界上最灵活的晶体管。这种新型自适应晶体管可以在运行时动态切换，能执行不同的逻辑任务。这从根本上改变了芯片设计的可能性，并在人工智能、神经网络甚至逻辑领域开辟了全新机会。
电荷在晶体管中的传输方式取决于使用的材料：要么是带有负电荷的自由移动电子，要么是单个原子中可能缺少电子，所以该点是带正电荷的。这就是所谓的“空穴”。
在新型晶体管中，电子和空穴以一种非常特殊的方式同时操作。维也纳工业大学固态电子研究所博士后研究员马西亚尔·西斯塔尼解释道：“通过极其干净的高质量接口，我们用一根由锗制成的极细的导线连接两个电极。在锗的上方，我们放置了一个栅电极。具有决定性的一步是，我们的晶体管具有另一个控制电极，该电极放置在锗和金属之间的界面上。它可以对晶体管的功能进行动态编程。”
这种器件结构使得分别控制电子和空穴成为可能。西斯塔尼补充道，“使用锗是因为锗有一种非常特殊的电子结构：当施加电压时，电流刚开始会增加，然而，在某一阈值之后，电流再次下降，这被称为负差分电阻。在控制电极的帮助下，我们可以调节这个阈值所在的电压。这提供了新的自由度，我们可以利用这一自由度让晶体管实现所需特性。例如，可以将逻辑电路中的与非门切换到或非门。”
到目前为止，电子设备的智能只是由几个晶体管的互连实现，而每个晶体管都只有相当原始的功能。在未来，这种智能可以让新晶体管本身的适应性来实现。由于适应性的提高，以前需要160个晶体管的算术运算现在可以用24个晶体管完成。这样一来，电路的速度和能效也可以显著提高。
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晶体管是一种可变电流开关，基于输入电压控制输出电流。与机械开关不同的是，它利用电信号来控制自身的开合。一直以来，硅都是制作晶体管的绝对主力，近年来，砷化镓、氮化镓、石墨烯……人类寻找新材料的努力也在持续。本文所提到的研究并非要寻找一种晶体管新材料，而是引入锗这种具有特殊电子结构的元素，让晶体管更为灵活智能，提高晶体管的适应性。研究人员希望，新晶体管能成为传统晶体管的得力“助攻”，在节能和提高算力上发挥作用。