超越摩尔定律：基于加热载流子受激发射的晶体管创新

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。