100GHz不是梦 双层石墨烯晶体管诞生

多年来，科学家和工程师们一直想找到“更小更高效地运用二维石墨烯材料”的好方法。而现在，已经有科学家设计出了一种超低功耗、且最终有望将处理器时钟速率提升至惊人的100GHz的石墨烯晶体管。传统晶体管允许电子被一个能量源所激发，跳过能量壁垒并切换到另一状态。尽管这种方法工作得挺好，但在能效上却难以大幅提升。

反观隧道晶体管，因借助了量子隧穿效应来跳过能量势垒（瞬间移动），其操作时的能耗要比标准晶体管少一些。问题是，通达另一侧的电流太小，所以距离实际运用还有些遥远。不过现在，莫斯科物理技术学院（MIPT）的科学家们已经找到了一种方法来提高隧穿电流，那就是常备业界所提起的二维结构材料——石墨烯。

尽管只是一张由碳原子组成的薄片，但它却拥有一些不寻常的电子特性。本例中，科学家们建立了一个石墨烯双分子层的模型，结果发现其电子能量范围有些奇怪。双层石墨烯能带的形状，很像是“墨西哥帽”，而不是大多数半导体生产所运用的“抛物线状”。其意义是，“帽子”边沿的电子密度似乎趋近于无穷大（又称van Hove singularity/“范霍夫奇点”）。

只需在晶体管门上施加很小的电压，大量的电子就可以一次穿透隧道（电流急剧改变并突破能量势垒）。其结果和一个标准的晶体管一样，只是所需的电压要小得多。论文作者之一的Dmitry Svintsov表示：“这意味着此类晶体管在切换状态时有着更少的能量需求，芯片的功耗、发热、以及配套的散热需求也随之下降，即使大幅提升时钟频率也不会造成额外的散热负担”。

双层石墨烯晶体管还可以跳过复杂的“化学掺杂”步骤（生产传统晶体管时必须要这么做，以拓展半导体的能带），但能够通过“电子掺杂”达到与传统晶体管相同的结果（包括副作用）。研究人员特地对“墨西哥帽沿”解释了一番，称这一过程发生了不少重要的事件，只是以前很难测量。然而通过更优质的基质（打造双层石墨烯样品的基底材料），将能够首次用实验验证范霍夫奇点。

最终，该晶体管可以达到低至150mV的操作电压（相比之下，传统硅晶体管为500mV），双层石墨烯有望成为大幅提升计算机性能的一个有效方法。Svintsov表示：“功率低，电子部件的温度也低，这意味着我们可以让芯片运行在极高的频率——不是GHz级别的提升、而是数十上百倍”。

该团队的研究论文，已经刊登在近期出版的《科学报告》（Scientific Report）期刊上。

来源：网易、cnbeta

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