晶體管一直是許多電子產(chǎn)品中的主要組件，并且已經(jīng)存在了 70 多年。如果不是他們的不斷發(fā)展和完善，他們也不會(huì)有現(xiàn)在的計(jì)算能力。

然而，據(jù)信這種發(fā)展可能會(huì)限制大塊材料晶體管可以通過(guò)基于摩爾定律的自上而下方法縮小到的數(shù)量，摩爾定律觀察到密集集成電路中的晶體管數(shù)量大約每?jī)赡攴环?/p>

因此，另一種方法是使它們更小——通過(guò)自下而上的方法逐個(gè)原子地構(gòu)建納米級(jí)晶體管。這種方法可以制造出納米尺寸的晶體管，并且由于納米材料是非常有效的材料，這意味著已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小而有效的晶體管。

晶體管改進(jìn)的必要性

不斷創(chuàng)新以提高電子設(shè)備的性能，同時(shí)減小其尺寸的需求意味著許多組件必須通過(guò)更先進(jìn)的制造方法和先進(jìn)的材料制造。在一些應(yīng)用中，更小的晶體管意味著更多的晶體管可以適合給定的區(qū)域，放大設(shè)備的電子信號(hào)并使其更有效。與其他方法相比，簡(jiǎn)單地將晶體管小型化以獲得更高性能的概念很簡(jiǎn)單，但實(shí)際實(shí)施卻更具挑戰(zhàn)性。

實(shí)現(xiàn)如此高度的小型化和性能改進(jìn)的方法并不多，但顯示出很大前景的一種方法是納米材料——盡管從商業(yè)角度來(lái)看它仍處于起步階段。優(yōu)異的電子特性、響應(yīng)能力、與其他系統(tǒng)相互作用的能力、高穩(wěn)定性（包括熱穩(wěn)定性）以及它們固有的小尺寸意味著納米材料已成為構(gòu)建下一代晶體管的絕佳選擇。此外，現(xiàn)在可用的自下而上的納米制造方法意味著可以創(chuàng)建許多這些小型晶體管并將其集成到芯片和電路板中。

從商業(yè)角度來(lái)看，這些方法并不適合所有應(yīng)用程序。但隨著制造成本和制造難度的不斷提高，納米級(jí)晶體管將在更多應(yīng)用中變得可行。下面，我們看幾個(gè)納米晶體管已經(jīng)開(kāi)始產(chǎn)生影響的關(guān)鍵例子。

受納米技術(shù)啟發(fā)的晶體管應(yīng)用

已經(jīng)使用納米材料創(chuàng)建了多種類(lèi)型的晶體管。然而，場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一種常見(jiàn)的晶體管，因?yàn)樗亩喙δ苄院团c已經(jīng)開(kāi)始在其核心設(shè)計(jì)中使用納米材料的設(shè)備的兼容性。一個(gè)重要的例子是傳感器。盡管納米傳感器不需要基于晶體管，但其中很多都是（并且許多充當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管），因?yàn)榧{米材料的電氣和表面特性意味著當(dāng)分子結(jié)合（分子傳感）或當(dāng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境（溫度、濕度等）發(fā)生變化或出現(xiàn)應(yīng)變時(shí)。

與基于 FET 的納米材料傳感器和感興趣的目標(biāo)的相互作用會(huì)改變電信號(hào)，這對(duì)應(yīng)于可讀輸出。由于 FET 傳感器應(yīng)用中使用的納米材料具有高電導(dǎo)率和電荷載流子遷移率，因此傳感響應(yīng)通常比其他基于 FET 的傳感器好得多。一個(gè)顯示出巨大前景的常見(jiàn)例子是石墨烯，特別是因?yàn)樗亩喙δ苄院碗姎馓匦裕⑶乙呀?jīng)為多種應(yīng)用開(kāi)發(fā)了基于石墨烯的 FET——包括非常具體的應(yīng)用，例如在 COVID-19 期間檢測(cè) SARS-CoV-2 病毒株暴發(fā)。這些傳感器在靈敏度和尺寸方面的改進(jìn)，意味著納米技術(shù)在這些應(yīng)用中的影響迄今為止是巨大的。

另一個(gè)關(guān)鍵示例是電路板，基于納米材料的晶體管的尺寸在這里起著重要作用。計(jì)算機(jī)內(nèi)的電路板和處理組件嚴(yán)重依賴(lài)晶體管來(lái)改變和放大電子信號(hào)。處理器芯片上每單位面積的晶體管越多，速度就越快——這會(huì)導(dǎo)致性能和計(jì)算能力的整體提升。創(chuàng)建納米級(jí)晶體管的能力意味著每個(gè)區(qū)域可以集成更多的晶體管，從而提高芯片的性能——尤其是當(dāng)使用的納米材料具有高導(dǎo)電性時(shí)，例如碳納米管 (CNT)。因?yàn)樗鼈兛梢灾饌€(gè)原子地從頭構(gòu)建，所以它們可以以定制的方式集成到芯片中，以與芯片的常用架構(gòu)和設(shè)備中的不同組件兼容。

結(jié)論

開(kāi)發(fā)人員一直致力于制造不僅在放大和改變電子信號(hào)方面更有效，而且比現(xiàn)有晶體管更小的晶體管。在納米電子學(xué)的這種規(guī)模上，沒(méi)有多少材料可以同時(shí)滿(mǎn)足這兩個(gè)方面，但納米材料就是這樣一種富有成效的選擇。電子特性和固有的微型尺寸加上納米材料的穩(wěn)定性使得能夠創(chuàng)建更先進(jìn)和更小的晶體管。這里的重點(diǎn)是幾個(gè)更突出、商業(yè)上可行和有用的應(yīng)用領(lǐng)域——例如 FET 傳感器、集成電路 (IC) 芯片和電路板空間。但更多的應(yīng)用正在研究中，納米技術(shù)半導(dǎo)體在未來(lái)可能成為商業(yè)現(xiàn)實(shí)。

審核編輯：湯梓紅