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，他們也不會有現(xiàn)在的計算能力。

然而，據(jù)信這種發(fā)展可能會限制大塊材料晶體管可以通過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)量大約每兩年翻一番。

因此，另一種方法是使它們更小——通過自下而上的方法逐個原子地構(gòu)建納米級晶體管。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，同時減小其尺寸的需求意味著許多組件必須通過更先進(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)備的電子信號并使其更有效。與其他方法相比，簡單地將晶體管小型化以獲得更高性能的概念很簡單，但實際實施卻更具挑戰(zhàn)性。

實現(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，納米級晶體管將在更多應(yīng)用中變得可行。下面，我們看幾個納米晶體管已經(jīng)開始產(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)建了多種類型的晶體管。然而，場效應(yīng)晶體管是一種常見的晶體管，因為它的多功能性和與已經(jīng)開始在其核心設(shè)計中使用納米材料的設(shè)備的兼容性。一個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)場效應(yīng)晶體管），因為納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。

與基于 FET 的納米材料傳感器和感興趣的目標(biāo)的相互作用會改變電信號，這對應(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。一個顯示出巨大前景的常見例子是石墨烯，特別是因為它的多功能性和電氣特性，并且已經(jīng)為多種應(yīng)用開發(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 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。計算機內(nèi)的電路板和處理組件嚴(yán)重依賴晶體管來改變和放大電子信號。處理器芯片上每單位面積的晶體管越多，速度就越快——這會導(dǎo)致性能和計算能力的整體提升。創(chuàng)建納米級晶體管的能力意味著每個區(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，例如碳納米管 (CNT)。因為它們可以逐個原子地從頭構(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

開發(fā)人員一直致力于制造不僅在放大和改變電子信號方面更有效，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，沒有多少材料可以同時滿足這兩個方面，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。這里的重點是幾個更突出、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)體在未來可能成為商業(yè)現(xiàn)實。

審核編輯：湯梓紅