Only Perception: 通用電晶體：可成為各種邏輯功能的基礎

2011-12-27

通用電晶體：可成為各種邏輯功能的基礎

Universal transistor serves as a basis to perform any logic function
http://www.physorg.com/news/2011-12-universal-transistor-basis-logic-function.html

By Lisa Zyga, December 20, 2011

(PhysOrg.com) -- 今日絕大多數的電子裝置包含二種不同類型的場效應電晶體（FETs）：n-type（電子為其電荷載體）以及 p-type（那使用電洞）。一般來說，一個電晶體只能屬於其中一種類型。現在，在一項新研究中，研究者已設計出一種電晶體，經某種電氣訊號程式化後，可自我重新配置成 n-type 或 p-type。只要有一組這種「通用電晶體（universal transistors）」，原則上就能夠完成任何布林邏輯操作，這意味著電路能以更少的電晶體完成相同數量的邏輯功能。這項進展可能導致更密實的硬體與新奇的電路設計。

設計這種電晶體的那些研究者，由 Namlab gGmbH（位於德國 Dresden）的 Walter M. Weber 所領導，已將此新概念發表在最近一期的 Nano Letters 上。

"合成的奈米線將用來實現這種概念驗證，" Weber 表示。"然而，此概念可完整轉移到先進的 CMOS 矽技術，而且能利用自我校準（self-aligned）程序。"

這種新電晶體的核心是由金屬--半導體--金屬結構所製成的單一奈米線組成，那內嵌在二氧化矽的殼層中。電子或電洞從奈米線某一端的源極流動經過二個閘極到奈米線另一端的汲極。這二個閘極控制電子或電洞朝不同方向流動。一個閘極藉由選用電子或電洞來選擇電晶體的類型，而另一個閘極則藉由調整奈米線的電導（conductance）來控制電子或電洞。

利用閘極來選擇 p- 或 n-type 配置與傳統電晶體非常不一樣。在傳統電晶體中，p- 或 n-type 操作結果來自於摻雜，那發生在製程中，而且一旦電晶體製作完成就無法改變。相較之下，可重新配置的電晶體並無使用任何摻雜。相反的，施加一外部電壓到一個閘極就能重新配置電晶體的類型 -- 即便是在操作期間。電壓在閘極附近引起蕭特基接面（Schottky junction）阻止電子或電洞流經裝置。所以若電子被阻擋，電洞就能流動，而電晶體就是 p-type。只要施加稍微不同地電壓，重配置（reconfiguration）就能再度被切換，而不會干擾流動。

科學家解釋，使這種重配置有效的關鍵在於調整電子傳輸，使其分別通過這二個接面（每個閘極都有一個）的能力。他們的模擬證明，電流是穿隧式（tunneling）佔主導地位，這指出奈米線的幾何形狀在獨立接面控制的能力上扮演重要的角色。

因為可重新配置的電晶體能完成 p- 與 n-type FETs 的功能，所以單一個電晶體就能同時取代電路中的 p-type 與 n-typ FETs，那將大幅減少電路的尺寸而不會使其功能縮水。即使在早期階段，可重新配置的電晶體證明具有非常好的電氣特性，包括破記錄的 on/off ratio 與減少的滲漏電流（相較於傳統的奈米線 FETs）。在未來，研究者計畫要更進一步改良這種電晶體的效能。

"我們正在改變材料組合以進一步提升裝置效能，" Weber 表示。"此外，這些裝置的第一個電路實作正在進行中。...最大挑戰將會是把額外的閘極訊號合併到單元佈局中（cell layout）使其能有彈性地與其他電晶體連結。"

※ 相關報導：

＊ Reconfigurable Silicon Nanowire Transistors
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl203094h