美首次制造出不使用半導(dǎo)體的晶體管

據(jù)報(bào)道，美國(guó)科學(xué)家首次利用納米尺度的絕緣體氮化硼以及金量子點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)量子隧穿效應(yīng)，制造出了沒(méi)有半導(dǎo)體的晶體管。該成果有望開(kāi)啟新的電子設(shè)備時(shí)代。

幾十年來(lái)，電子設(shè)備變得越來(lái)越小，科學(xué)家們現(xiàn)已能將數(shù)百萬(wàn)個(gè)半導(dǎo)體集成在單個(gè)硅芯片上。該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、密歇根理工大學(xué)的物理學(xué)家葉躍進(jìn)（音譯）表示：“以目前的技術(shù)發(fā)展形勢(shì)看，10年到20年間，這種晶體管不可能變得更小。半導(dǎo)體還有另一個(gè)先天不足，即會(huì)以熱的形式浪費(fèi)大量能源。”

科學(xué)家們嘗試使用不同材料和半導(dǎo)體設(shè)計(jì)方法來(lái)解決上述問(wèn)題，但都與硅等半導(dǎo)體有關(guān)。2007年，葉躍進(jìn)開(kāi)始另辟蹊徑，制造沒(méi)有半導(dǎo)體的晶體管。葉躍進(jìn)說(shuō)：“我的想法是用納米尺度的絕緣體并在其頂部安放納米金屬來(lái)制造晶體管，我們選擇了氮化硼碳納米管（BNNTs）做基座。”隨后，他們使用激光，將直徑為3納米寬的金量子點(diǎn)（QDs）置于氮化硼碳納米管頂端，形成了量子點(diǎn)—氮化硼碳納米管（QDs-BNNTs）。對(duì)于金量子點(diǎn)來(lái)說(shuō)，氮化硼碳納米管是完美的基座，其尺寸小、可控而且直徑一致，同時(shí)還絕緣，也能對(duì)其上的量子點(diǎn)大小進(jìn)行限制。

研究人員同橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的科學(xué)家們攜手合作，在室溫下讓量子點(diǎn)—氮化硼碳納米管兩端的電極通電。有趣的事情發(fā)生了：電子非常精確地從一個(gè)量子點(diǎn)跳到另一個(gè)量子點(diǎn)這就是量子隧穿效應(yīng)。葉躍進(jìn)表示：“這種設(shè)備的穩(wěn)定性非常好。”

葉躍進(jìn)團(tuán)隊(duì)利用這一設(shè)備制造出了一種晶體管，其中沒(méi)有半導(dǎo)體的“身影”。當(dāng)施加足夠的電壓時(shí)，其會(huì)打開(kāi)到導(dǎo)電狀態(tài)；當(dāng)電壓低或關(guān)閉時(shí)，它會(huì)恢復(fù)到其天然的絕緣體狀態(tài)。而且，這一設(shè)備沒(méi)有“漏網(wǎng)之魚(yú)”：沒(méi)有來(lái)自金量子點(diǎn)的電子逃進(jìn)絕緣的氮化硼碳納米管內(nèi)，因此，隧道會(huì)一直保持冷的狀態(tài)。而硅常遇到泄露，使電子設(shè)備中的大量能量以熱的形式被浪費(fèi)掉。

密歇根理工大學(xué)的物理學(xué)家約翰·雅什查克為新的晶體管研究出了理論框架。他表示，此前也有其他科學(xué)家利用量子隧穿制造出了晶體管，但這些設(shè)備只在液氦溫度（4.2K）下工作，而新設(shè)備則可以在室溫下工作。

葉躍進(jìn)的金—納米管設(shè)備的秘密就在于“小”：其僅有1微米長(zhǎng)、20納米寬。雅什查克解釋道：“這個(gè)金島的寬度必須在納米級(jí)別，這樣才能在室溫下控制電子。如果它們太大，有很多電子可以在其上流動(dòng)。從理論上而言，當(dāng)電極之間的距離近到幾分之一微米時(shí)，這些隧道可以小到接近零。”