陳根：曾被硅取代的鍺錫晶體管升級替代硅

(相關資料圖)

文/陳根

早在20世紀50年代，由德國物理學家Walter Brattain和William Shockley等人發明的半導體電子器件——鍺錫晶體管被廣泛應用于電子技術中。它的原理是利用鍺和硅材料的p-n結構，通過控制基極電流來控制集電極和發射極之間的電流，實現信號放大和開關控制。但是，隨著半導體技術的不斷發展，鍺錫晶體管被更先進、性能更優異的硅基晶體管所取代。

經過70多年的發展之后，芯片上的晶體管數量大約以每兩年翻一番的速度增長，電路也相應地變得更小。“我們現在已經達到了結構尺寸只有2到3納米的階段，幾乎是可行的極限。”德國于利希研究中心Peter Grünberg研究所（PGI-9）的趙清太教授說，“我們的想法是找到一種具有更有利電子性能的材料，并可用于在更大的結構中實現相同的性能。”

基于這個思路方向，Peter Grünberg研究所的研究人員在新的研發過程中，再次把焦點定位到了鍺上，因為從理論上來講，電子在鍺中的移動速度比在硅中快得多；同時，為了進一步優化電子特性，研究團隊將錫原子結合到鍺晶格中，開發出了新型的鍺錫晶體管，其電子遷移率提升到了純鍺晶體管的2.5倍。

鑒于鍺和錫與硅來自元素周期表中的同一主族，科學家們發現鍺錫系統不僅可以有效克服硅技術的物理限制，而且與現有的芯片制造CMOS工藝兼容，所以，通過現有生產線便可以將鍺錫晶體管直接集成到傳統硅芯片中。

實驗測量數據顯示：由鍺錫制成的新型晶體管的性能明顯優于由硅制成的晶體管。首先，在低溫低壓的外部條件下，鍺錫晶體管往往有更好的表現；其次，鍺錫晶體管與激光器一起，為納米電子學和光子學在單個芯片上的單片集成提供了更有前途的解決方案。

責任編輯：Rex_01