超越摩尔定律:基于加热载流子受激发射的晶体管创新
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晶体管是现代电子设备的基本构建模块,构成了集成电路的骨干。随着对更快、更高效电子设备的需求不断增长,传统晶体管技术面临着显著挑战,特别是在尺寸不断缩小的情况下。这促使研究人员探索新的操作原理以提高晶体管性能。最近中科院金属研究所与北京大学的合作团队发表在《自然》杂志的一篇论文,提出了一种基于加热载流子受激发射的热发射极晶体管,它以其独特的机制和卓越的性能特征,有望彻底改变这一领域。
传统晶体管通过控制半导体材料中电荷载流子(电子和空穴)的流动来工作。然而,随着晶体管变得越来越小,漏电流和散热等问题变得更加突出,限制了其性能。为了克服这些限制,研究人员转向了热载流子晶体管,利用载流子的过剩动能来提高速度和功能。 热发射极晶体管(HOET)利用了热载流子的概念,即被激发到高能态的电荷载流子。HOET的关键创新在于利用加热载流子的受激发射(SEHC)来高效地产生这些热载流子。这一机制涉及将载流子注入基材,在电场的作用下加热它们,使其通过受激发射产生额外的载流子。这一过程显著增加了电流密度,提高了晶体管的整体性能。 由中国科学院金属研究所(IMR)与北京大学合作开发的新型HOET由两个耦合的石墨烯/锗肖特基结组成。石墨烯以其原子厚度和优异的电学性能作为基材,而锗则作为发射极。在操作过程中,锗将高能载流子注入石墨烯基材。这些载流子随后扩散到发射极,在电场的作用下进一步加热,从而由于加热载流子的受激发射导致电流显著增加。 HOET表现出几项显著的性能特征,使其区别于传统晶体管: 超低亚阈值摆幅:HOET的亚阈值摆幅小于1 mV/dec,显著低于传统的60 mV/dec的玻尔兹曼极限。这意味着晶体管可以通过更小的电压变化进行开关,降低功耗。 |
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