by FLEET 铋，一种单原子厚度的铋原子层，是拓扑晶体管的另一种候选材料
信用:FLEET 新的FLEET研究证实了拓扑材料大幅降低计算能耗的潜力
来自卧龙岗大学、莫纳什大学和UNSW大学的舰队研究人员的合作在一项理论研究中表明，使用拓扑绝缘体而不是传统半导体来制造晶体管可以将栅极电压降低一半，并将每个晶体管使用的能量降低四倍
为了实现这一点，他们必须找到一种方法来克服著名的“玻尔兹曼暴政”，这种暴政对晶体管开关能量设置了较低的限制
他们发现了一个令人惊讶的结果:施加在拓扑绝缘体上的栅极电压会对电子流形成一个比电压本身乘以电子电荷还要大的屏障，这个结果以前被认为是不可能的
未来低能耗电子技术卓越中心的使命是减少信息和计算技术不可持续的能源负荷，目前信息和计算技术消耗了全球约10%的电力
晶体管:它们不只是在爷爷的小收音机里 计算机芯片包含数十亿个晶体管——执行计算机基本开关操作的微型电子开关
如今，单个晶体管的直径只有5纳米(百万分之五毫米)
晶体管使用施加在“栅”电极上的电压来接通和切断“源”和“漏”电极之间的电流
每次晶体管开关时，用来给栅电极充电的能量都被扔掉了
一台典型的计算机每秒钟有数十亿个晶体管开启和关闭数十亿次，这样就产生了大量的能量
传统的晶体管是由半导体制成的，这种材料具有“带隙”或禁止电子进入的能量范围
施加到栅极的电压的作用是移动这个范围的禁止能量，以允许(开状态)或阻止(关状态)进入的电子从源极移动到漏极的能量
在理想的晶体管中，加在栅极上的1伏电压会使1电子伏所阻挡的能量范围向上移动
iPhone 5核心的邮票大小的芯片有大约10亿个晶体管
荣誉:埃罗尔·亨特(舰队) 泄漏“暴政”对转换能量设置了下限 晶体管正常工作需要多大的屏障？ 问题是，在有限的温度下，来自源的电子的能量本质上是“模糊的”，所以总有一些电子具有足够高的能量来越过势垒
这种“泄漏”电流导致能量浪费
基本的热力学考虑要求将电流降低10倍需要在室温下将势垒提高约60毫伏
但是为了避免通过泄漏电流浪费能量，需要将电流减少大约100，000倍，或者大约300毫伏的势垒，这需要至少300毫伏的栅极电压
这个最小栅极电压对开关能量设置了下限
这被称为“玻尔兹曼的暴政”，因为路德维希·玻尔兹曼描述了温度对粒子能量的涂抹
玻尔兹曼的暴政被认为限制了晶体管的工作栅极电压，不管它是由什么材料制成的
用新材料克服玻尔兹曼极限 舰队中的研究人员很好奇是否可以用不同的效应来为晶体管中的电子流制造障碍
在某些材料中，电场可以改变带隙的大小
他们想知道施加在栅电极上的电压所产生的电场是否可以用来扩大带隙并形成电子屏障
答案是肯定的，但是对于典型的材料来说，这种效应并不能打败玻尔兹曼的暴政:施加在栅极上的1伏特电压仍然只能产生不大于1电子伏特的势垒
理论研究证实，拓扑晶体管将击败波尔特曼的暴政，经营能源信用的下限:舰队 研究人员决定研究一种叫做拓扑绝缘体的特殊材料，它的带隙实际上是负的
“薄的(二维)拓扑绝缘体内部是绝缘的，但沿其边缘导电，”第一作者穆罕默德·纳德姆(卧龙岗大学)解释道
“在这种状态下，它们可以充当晶体管的‘导通’状态，电流由导电边缘承载
" “拓扑绝缘体的带隙也可以被电场改变，”纳德姆说
“当它变成正的时候，这种材料就不再是拓扑绝缘体，也不再有导电边缘，就像普通的半导体一样，带隙对电子流起着屏障的作用(“关闭”状态)
" 然而，研究小组发现，与普通半导体不同，拓扑绝缘体中带隙(以电子伏特为单位)的增加可能大于施加到栅极的电压(以伏特为单位)，从而击败玻尔兹曼的暴政
“合适的拓扑材料可以在只有类似的传统晶体管一半大的电压下进行转换，只需要四分之一的能量，”合作研究员米蒂·卡尔瑟(UNSW)说
从这里到哪里？ 许多挑战依然存在
这项研究目前只是理论上的
联合研究员王晓林说，“一些候选材料，如铋，一种单原子厚的铋层，排列成蜂窝状结构，刚刚开始在实验室研究，还没有制成晶体管
" 其他材料仍在计划中，还不知道如何合成它们
“然而，”联合研究员迈克尔·元首(莫纳什饰)说，“舰队内部的研究人员正在努力制造这些新材料，对它们进行表征，并将其整合到电子设备中
"
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
