中国科学家基于石墨烯等材料发明新型“热发射极”晶体管

　　中新网北京8月15日电 (记者 孙自法)作为集成电路的基本单元，晶体管及其材料的相关研发进展一直备受瞩目。

　　记者8月15日从中国科学院金属研究所获悉，该所科研团队联合北京大学团队，最新发明一种由石墨烯和锗等混合维度材料构成的“热发射极”晶体管，并提出一种全新的“受激发射”热载流子生成机制。

　　该研究工作开辟了晶体管器件研究的新领域，为热载流子晶体管家族增添了新成员，并有望推动其在未来低功耗、多功能集成电路中广泛应用。

　　这项晶体管领域的重大研究突破，由中国科学院金属研究所刘驰研究员、孙东明研究员和成会明院士主导，携手该所任文才研究员团队和北京大学张立宁团队合作完成。北京时间8月14日夜间，相关成果论文以“一种基于载流子可控受激发射的热发射极晶体管”为题在国际著名学术期刊《自然》(Nature)发表。

　　合作团队介绍说，晶体管是集成电路的基本单元。随着晶体管尺寸的不断缩小，其进一步发展的技术挑战日益增多。因此，探索具有新工作原理的晶体管，已成为提升集成电路性能的关键。正如水龙头的阀门可调节水流的大小，晶体管也能够调控由电子或空穴等载流子形成电流的大小。

　　通常情况下，载流子与周围环境处于热平衡状态，称为“稳态”。不过，通过电场加速等方法，可以提升载流子的能量，使其成为“热载流子”。如果能够有效操控这种高能的热载流子，并提高其浓度，将有望进一步提升晶体管的速度和功能。

　　石墨烯等低维材料凭借其原子级厚度、优异的电学与光电性能，以及无表面悬键等特性，易于与其他材料形成异质结，从而产生丰富的能带组合，为热载流子晶体管的发展提供了全新思路。基于此，中国科学家团队通过可控调制热载流子来提高电流密度，发明一种由石墨烯和锗等混合维度材料构成的“热发射极”晶体管，并提出一种全新的“受激发射”热载流子生成机制。

　　合作团队表示，他们发明的新型晶体管由两个耦合的“石墨烯/锗”肖特基结组成，载流子由石墨烯基极注入，随后扩散到发射极，并激发出受电场加热的载流子，从而导致电流急剧增加。这一设计使晶体管电流每变化一个数量级，所需的电压变化小于1毫伏，突破了传统晶体管的玻尔兹曼极限。此外，该新型晶体管在室温下还表现出峰谷电流比超过100的负微分电阻，展示出其在多值逻辑计算中的应用潜力。(完)