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据美国物理学家组织网4月19日(北京时间)报道,由美国匹兹堡大学领导的一个研究小组日前宣布,他们制造出了一种核心组件直径只有1.5纳米的超小型单电子晶体管。该装置是制造下一代低功耗、高密度超大规模集成电路理想的基本器件,具有极为广泛的应用价值。相关论文发表在最新一期《自然·纳米技术》杂志上。 单电子晶体管是用一个或几个电子就能记录信号的晶体管,其尺度都处于纳米级别。随着集成电路技术的发展,电子元件的尺寸越来越小,由单电子晶体管组成的电路日益受到研究人员的青睐,其高灵敏度的特性和独特的电气性能使其成为未来随机存储器和高速处理器制造材料的有力竞争者。 据研究人员介绍,这种新型单电子晶体管的核心组件是一个直径只有1.5纳米的库伦岛,另外还有一两个电子负责对信号进行记录。负责该项研究的匹兹堡大学文理学院物理学和天文学教授杰里米·利维称,该晶体管未来可用于研制具有超密存储功能的量子处理器。这种处理器将能轻松应对那些让目前全世界所有的计算机同时工作数年也计算不完的复杂问题。同时因其中央的库伦岛可以被当作人工原子,该晶体管还可用来制造自然界原本并不存在的新型超导材料。 利维和其同事将这种超小型单电子晶体管命名为“SketchSET”。原因在于这项技术受到了一种名为蚀刻素描画板(Etch A Sketch)的启发,这种晶体管的制造原理也与其类似。在实验中,通过原子力显微镜,研究人员用一种极为尖锐的电导探针就能在钛酸锶晶体界面上用1.2纳米厚的一层铝酸镧“蚀刻”出所需的晶体管。 据介绍,SketchSET是第一个完全由氧化物制成的单电子晶体管,并且其库伦岛内能容纳两个电子。经过库伦岛的电子数量可以是0、1或2,而不同数量的电子将决定其具有怎样的导电性能。 利维表示,这种单电子晶体管对电荷极为敏感,且所使用的氧化物材料具有铁电效应,该晶体管还可制成固态存储器,即便没有外部电源,该晶体管存储器也不会丢失此前存储的信息。此外,这种晶体管对压力变化也极为敏感,根据这一特性可用其来制成纳米尺度的高灵敏度压力传感设备。 1959年一个芯片上只能放一个晶体管,今天家用计算机微处理器上的晶体管数量已达11.7亿,是半导体材料支撑起了电子计算机时代。下一代计算机如何发展?无论是基于单电子晶体管的量子计算机,还是基于蛋白质技术的生物计算机,我们还是要从新材料上找答案。当前已经有多种单电子晶体管研制出来,也许这些方案将来都派不上用场,然而每次实验都会向成功迈进一步,最后开启计算机新时代的新材料一定会在这些实验中脱颖而出。
有望解决目前芯片上晶体管生热过多的问题科技日报 2012年03月28日 星期三 本报讯(记者刘霞)据美国物理学家组织网3月27日(北京时间)报道,美国圣母大学和宾夕法尼亚州立大学的科学家们表示,他们借用量子隧穿效应,研制出了性能可与目前的晶体管相媲美的隧穿场效应晶体管(TFET)。最新技术有望解决目前芯片上晶体管生热过多的问题,在一块芯片上集成更多晶体管,从而提高电子设备的计算能力。 晶体管是电子设备的基本组成元件,在过去40年间,科学家们主要通过将更多晶体管集成到一块芯片上来提高电子设备的计算能力,但目前这条道路似乎已快走到尽头。业界认为,半导体工业正在快速接近晶体管小型化的物理极限。现代晶体管的主要问题是产生过多的热量。 最新研究表明,他们研制出的TFET性能可与目前的晶体管相媲美,而且能效也较以往有所提高,有望解决上述过热问题。 科学家们利用电子能“隧穿”过固体研制出了这种TFET。“隧穿”在人类层面犹如魔术,但在量子层面,它却是一种非常常见的行为。 圣母大学的电子工程学教授阿兰·肖宝夫解释道:“现今的晶体管就像一个拥有移动门的大坝,水流动的速度也就是电流的强度取决于门的高度。隧穿晶体管让我们拥有了一类新的门,电流能够流过而非翻过这道门,另外,我们也对门的厚度进行了调整以便能打开和关闭电流。” 宾州州立大学的电子工程系教授苏曼·达塔表示:“最新技术进展的关键在于,我们将用来建造半导体的材料正确地组合在一起。” 肖宝夫补充道,电子隧穿设备商业化的历史很长,量子力学隧穿的原理也已被用于数据存储设备中,借用最新技术,未来,一个USB闪存设备或许能拥有数十亿个TFET设备。 科学家们强调说,隧穿晶体管的另一个好处是,使用它们取代目前的晶体管技术并不需要对半导体工业进行很大的变革,现有的很多电路设计和电路制造基础设施都可以继续使用。 尽管TFET的能效与现有晶体管相比稍逊色,但是,去年12月宾州州立大学和今年3月圣母大学的科研团队发表的论文已经表明,隧穿晶体管在驱动电流方面已经取得了创纪录的进步,未来有望获得更大的进展。 达塔说:“如果我们在能效上取得更大成功,将是低能耗集成电路上的重大突破,这反过来会加大我们研制出能自我供能设备的可能性,自我供能设备同能量捕获设备结合在一起,有望使我们研制出更高效的健康检测设备、环境智能设备以及可移植医疗设备。” 总编辑圈点: 滚动的台球,碰到桌壁后总会反弹。而量子理论不排除“穿壁而过”的可能性——在基本粒子级的尺度下,“隧穿”的几率不能忽视。隧穿曾是晶体管电路设计者需要防范的现象,然而科学家最终利用它造出了新式晶体管。几年前就有计算机试用了这种新式硅片,它要求的电压更小,且在待机状态下不耗电。隧穿晶体管技术一旦投入商用,CPU的设计者就不必忧虑发热的老问题了。
晶体管特性图示仪是一种可以检测晶体管的特性参数的电子测量仪器。晶体管特性图示仪操作简便,主要有六个旋钮,每个旋钮代表不同的功能作用。它们分别是用来测试调控电流开关、电压开关、峰值电压开关、功耗限制电阻、零电压、零电流开关。晶体管特性图示仪的工作原理大致是这样的:通过示波管的内刻度可直接读测半导体管的低频直流参数,通过摄影装置可记录所需的特性曲线;根据需要还可以测试隧道二极管、场效应管、VMOS管、达林顿管及可控硅等半导体材料制做的器件。晶体管特性图示仪可同时在示波器管荧光屏上显示两只同类型半导器件的特性曲线。晶体管特性图示仪的具体参数如下:集电极扫描电压0-500V 二端测试电压0-5KV、 集电极电流1μA-500mA/div 、具有脉冲阶梯信号。