一种更高效的新型晶体管将对硅的统治构成威胁

一种更高效的新型晶体管将对硅的统治构成威胁



一种新的、更节能的晶体管可能会减少全球数字能源消耗，并使设备更小、发热量更低。



上图：一种新的石墨烯晶体管可能是未来计算的关键。

晶体管，特别是由硅制成的晶体管，是现代电子学的基石。从烤面包机到电视，晶体管几乎出现在所有带有电路的产品中。它们也只会变得越来越小，这是一个问题，尤其是当涉及到能源消耗、热量以及具有讽刺意味的设备总尺寸时。在一个设备里封装太多晶体管，奇怪的是，你会开始碰壁。

摩尔定律指出，我们可以塞进电子设备的晶体管数量正呈指数增长。然而，这种趋势也有其局限性。晶体管越小（我们说的是一些目前只有几纳米宽的晶体管），就越难摆脱它产生的废物，而且用它们封装的设备就会变得越热，这就限制了设备的尺寸。再加上对更快、更小的电子产品的需求日益增长，工程师们正面临着两难境地。内布拉斯加州大学林肯分校的物理学教授彼得·A·道本表示：

“传统的集成电路正面临一些严重的问题 …… 所以，你需要一些可以缩小的东西，如果可能的话。但最重要的是，你需要一种与硅晶体管工作方式不同的东西，这样你就可以大大降低功耗。”

布法罗大学和内布拉斯加州大学林肯分校的研究人员合作了一项新的研究，该研究发表在《先进材料》上，旨在设计一种更高效的非硅晶体管，这应该会让小型半导体继续变得更小。晶体管通常通过推动电子穿过栅极来进行计算：当电子通过栅极时，它是1，当电子没有通过栅极时，它是0。但是，科克·何（Keke He）、乔纳森·P·伯德（Jonathan P. Bird）和他们的研究团队已经破解了一种新的方法，通过依赖电子的自旋而不是电子的流动来设计晶体管。

电子可以朝两个方向自旋：向上或向下。你猜对了，这些方向可以对应于二进制代码的 1 和 0。研究小组首先从一层石墨烯开始，石墨烯的厚度只有一层，电子可以通过。石墨烯层至关重要，因为石墨烯具有一种独特的性质，允许电子在相对较长的距离内保持自旋方向。石墨烯层下面是一层氧化铬。

当施加正电压时，氧化铬中的电子向上旋转，石墨烯电子转向左侧。当电压为负时，氧化铬电子向下旋转，石墨烯电子转向右侧。这两种独特的配置创建了易于检测的信号，可以对应于1和0。

彼得·A·道本教授解释说，可能还有其他方法来制造类似的晶体管。“现在每个人都可以参与到游戏中来，想办法让晶体管变得更好、更具竞争力，甚至超越硅。”

目前，这种被称为“磁电晶体管”的晶体管背后的研究人员，对其超越硅极限的潜力感到兴奋。据该研究的新闻稿称，磁电晶体管可以将存储某些数据所需的晶体管数量减少多达75%，这可能导致设备更小、发热量更小，据称还能将全球数字能源消耗减少5%。这种能量减少的估计也要归功于这些晶体管的潜力：即使在断电后，它们也能准确地记住用户停机的位置。

不管怎样，磁电晶体管距离工业化还有很长的路要走，但半导体总是可以从事物的“新旋转”中受益。