如今,每個計算機的核心——電晶體,單個晶片上數量達數十億——通常都基於約翰·巴丁、沃爾特·布拉頓和威廉·肖克利於 1947 年在貝爾實驗室首次製成原型機的概念。物理學家現在已經展示了一種更簡單的革命性電晶體設計,該設計最早由奧地利物理學家朱利葉斯·埃德加·莉莉費爾德於 1925 年獲得專利,但直到現在才被製成實用的裝置。這種更簡單的版本可以推動計算機變得更快、功耗更低。
在每個電晶體中,一個名為柵極的電極控制電流是否可以沿半導體條流動,從而定義計算機二進位制功能必不可少的“開”或“關”狀態。傳統上,半導體條的結構像三明治,一層材料夾在另外兩種材料層之間。在“關”位置,三明治充當電絕緣體,但柵極可以將其變成導體,通常是透過產生電場。在晶片製造中,三明治是透過摻雜其他元素的矽條獲得的。例如,中間部分可以透過新增趨於聚集額外電子的原子來建立;側面部分獲得趨於釋放電子的原子。每個部分都可以單獨導電,但除非柵極開啟,否則電子將拒絕穿過中間部分。
連續部分之間的邊界稱為結。愛爾蘭廷德爾國家研究所的 Jean-Pierre Colinge 說,隨著電晶體尺寸的縮小,在摻雜濃度在僅奈米級的距離內發生突變的地方產生清晰的邊界正變得越來越具有挑戰性。
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因此,一個解決方案是消除這些邊界。按照莉莉費爾德的想法,Colinge 和他的團隊製造了一種只使用一種摻雜型別,因此沒有結的電晶體。這種新器件是一個一微米長的重摻雜矽奈米棒,柵極橫跨其中間部分。來自柵極的電場透過耗盡中間部分的電子來關閉電晶體,從而阻止電流透過棒。該團隊在三月份的《自然奈米技術》(《大眾科學》是自然出版集團的一部分)雜誌上描述了他們的成果。
有效地耗盡電子需要奈米棒僅 10 奈米厚,這在最近才成為大規模製造中可能實現的一項壯舉。 Colinge 說:“該器件應該能夠很容易地整合到矽晶片中”,因為它與現有的製造工藝相容。他說,無結設計在電流開關方面更有效,這意味著它可以以更低的電壓工作,產生更少的熱量,並以更快的速度工作。(在幾十年持續增長之後,計算機時鐘速度在過去幾年中基本上停滯在約 3 吉赫茲。)
IBM 沃森研究中心(位於紐約州約克鎮高地)物理科學主管托馬斯·泰斯表示,如果作者能將無結電晶體做得比目前的一微米短得多,以更好地匹配現有元件,那麼它可能會很有用。 Colinge 說,將其縮小到 10 奈米應該是可行的,他的團隊正在努力實現這一目標。 Colinge 說,自從該論文發表以來,幾家半導體公司都對這種電晶體表現出了興趣,或許正準備賦予沒有邊界的未來新的意義。