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。

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背景

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。

热发射极晶体管的概念

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。

设计与结构

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。

性能特征

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。
  • 高峰谷电流比：HOET在室温下表现出超过100的峰谷电流比。这一特性对于多值逻辑计算应用至关重要，不同的电流水平代表不同的逻辑状态。
  • 负微分电阻：晶体管还表现出负微分电阻，即电压增加导致电流减少。这一特性对于设计振荡器和放大器非常有用。

应用与未来前景

HOET的独特特性使其成为各种先进应用的有力候选者：

  • 低功耗电子设备：超低亚阈值摆幅和高电流效率使HOET非常适合低功耗电子设备，延长电池寿命并减少能耗。
  • 高速计算：能够在高频率下快速响应，使HOET适用于高速计算应用，包括处理器和存储设备。
  • 多值逻辑电路：高峰谷电流比使得多值逻辑电路的实现成为可能，这些电路可以用更少的晶体管执行更复杂的操作，提高计算效率。

结论

基于加热载流子受激发射的热发射极晶体管的开发代表了晶体管技术的重大进步。通过利用石墨烯和锗的独特特性，并采用新颖的SEHC机制，研究人员创造了一种超越传统设计限制的晶体管。凭借其卓越的性能特征和多样化的应用潜力，HOET有望在电子设备的未来中发挥关键作用，为更高效、更强大和更多功能的设备铺平道路。