晶體管是現代電子設備的基本構建模塊，構成了集成電路的骨干。隨著對更快、更高效電子設備的需求不斷增長，傳統晶體管技術面臨著顯著挑戰，特別是在尺寸不斷縮小的情況下。這促使研究人員探索新的操作原理以提高晶體管性能。最近中科院金屬研究所與北京大學的合作團隊發表在《自然》雜志的一篇論文，提出了一種基于加熱載流子受激發射的熱發射極晶體管，它以其獨特的機制和卓越的性能特征，有望徹底改變這一領域。

背景

傳統晶體管通過控制半導體材料中電荷載流子（電子和空穴）的流動來工作。然而，隨著晶體管變得越來越小，漏電流和散熱等問題變得更加突出，限制了其性能。為了克服這些限制，研究人員轉向了熱載流子晶體管，利用載流子的過剩動能來提高速度和功能。

熱發射極晶體管的概念

熱發射極晶體管（HOET）利用了熱載流子的概念，即被激發到高能態的電荷載流子。HOET的關鍵創新在于利用加熱載流子的受激發射（SEHC）來高效地產生這些熱載流子。這一機制涉及將載流子注入基材，在電場的作用下加熱它們，使其通過受激發射產生額外的載流子。這一過程顯著增加了電流密度，提高了晶體管的整體性能。

設計與結構

由中國科學院金屬研究所（IMR）與北京大學合作開發的新型HOET由兩個耦合的石墨烯/鍺肖特基結組成。石墨烯以其原子厚度和優異的電學性能作為基材，而鍺則作為發射極。在操作過程中，鍺將高能載流子注入石墨烯基材。這些載流子隨后擴散到發射極，在電場的作用下進一步加熱，從而由于加熱載流子的受激發射導致電流顯著增加。

性能特征

HOET表現出幾項顯著的性能特征，使其區別于傳統晶體管：

• 超低亞閾值擺幅：HOET的亞閾值擺幅小于1 mV/dec，顯著低于傳統的60 mV/dec的玻爾茲曼極限。這意味著晶體管可以通過更小的電壓變化進行開關，降低功耗。

• 高峰谷電流比：HOET在室溫下表現出超過100的峰谷電流比。這一特性對于多值邏輯計算應用至關重要，不同的電流水平代表不同的邏輯狀態。

• 負微分電阻：晶體管還表現出負微分電阻，即電壓增加導致電流減少。這一特性對于設計振蕩器和放大器非常有用。

應用與未來前景

HOET的獨特特性使其成為各種先進應用的有力候選者：

• 低功耗電子設備：超低亞閾值擺幅和高電流效率使HOET非常適合低功耗電子設備，延長電池壽命并減少能耗。

• 高速計算：能夠在高頻率下快速響應，使HOET適用于高速計算應用，包括處理器和存儲設備。

• 多值邏輯電路：高峰谷電流比使得多值邏輯電路的實現成為可能，這些電路可以用更少的晶體管執行更復雜的操作，提高計算效率。

結論

基于加熱載流子受激發射的熱發射極晶體管的開發代表了晶體管技術的重大進步。通過利用石墨烯和鍺的獨特特性，并采用新穎的SEHC機制，研究人員創造了一種超越傳統設計限制的晶體管。憑借其卓越的性能特征和多樣化的應用潛力，HOET有望在電子設備的未來中發揮關鍵作用，為更高效、更強大和更多功能的設備鋪平道路。