新型石墨烯晶体管实现高开关比率

据物理学家组织网1月23日（北京时间）报道，英国曼彻斯特大学的科研人员设计出一种新型石墨烯晶体管，在其中电子可借助隧穿和热离子效应，同时从上方和下方穿越障碍，并在室温下展现出高达1×106的开关比率。

石墨烯晶体管获得较高的开关比率一直难以实现，而有了高开关比，以及其在柔性、透明基板上的操作能力，新型晶体管能够在后CMOS设备时代占有一席之地，并有望达到更快的计算速度。相关研究发表在近期出版的《自然·纳米技术》杂志上。

石墨烯晶体管多具有三明治结构，以原子厚度的石墨烯作为外层，而以其他超薄材料作为中间夹层。这些中间层可以囊括多种不同材料。在此次的研究中，科学家使用二硫化钨（WS2）作为中间层，其能够作为两个石墨烯夹层之间原子厚度的壁垒。与其他壁垒材料相比，二硫化钨的最大优势在于，电子可借助热离子运输方式从上方越过障碍，也可利用隧穿效应从下方穿过障碍。处于关闭状态时，极少电子能借助上述方式穿越障碍，但当调至开启状态时，电子既能选用一种方式逾越壁垒，亦能同时选择两种方式以实现类似效果。

开关间切换将改变晶体管的栅电压。负栅电压将形成关闭状态，因为其将增加隧穿障碍高度，因此几乎没有电子能够越过壁垒。而正栅电压能通过降低隧穿障碍的高度使晶体管转换至开启状态。同时，如果温度足够高，亦可借助热离子电流从上方越过壁垒。在低电压和低温的情况下，隧穿电流与电压呈线性关联。但当处于高压下时，隧穿电流会随电压呈现指数增长，此时热离子电流就会成为主要的传输机制。

利用上述特质和二硫化钨壁垒材料，新晶体管成为目前性能最佳的石墨烯晶体管之一。此外，由于仅具有几个原子层的厚度，新型晶体管能够耐受弯曲，未来更有望应用于柔性、透明电子设备的制造，成为后CMOS设备时代的有力备选。（张巍巍）