陈根：曾被硅取代的锗锡晶体管升级替代硅

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文/陈根

早在20世纪50年代，由德国物理学家Walter Brattain和William Shockley等人发明的半导体电子器件——锗锡晶体管被广泛应用于电子技术中。它的原理是利用锗和硅材料的p-n结构，通过控制基极电流来控制集电极和发射极之间的电流，实现信号放大和开关控制。但是，随着半导体技术的不断发展，锗锡晶体管被更先进、性能更优异的硅基晶体管所取代。

经过70多年的发展之后，芯片上的晶体管数量大约以每两年翻一番的速度增长，电路也相应地变得更小。“我们现在已经达到了结构尺寸只有2到3纳米的阶段，几乎是可行的极限。”德国于利希研究中心Peter Grünberg研究所（PGI-9）的赵清太教授说，“我们的想法是找到一种具有更有利电子性能的材料，并可用于在更大的结构中实现相同的性能。”

基于这个思路方向，Peter Grünberg研究所的研究人员在新的研发过程中，再次把焦点定位到了锗上，因为从理论上来讲，电子在锗中的移动速度比在硅中快得多；同时，为了进一步优化电子特性，研究团队将锡原子结合到锗晶格中，开发出了新型的锗锡晶体管，其电子迁移率提升到了纯锗晶体管的2.5倍。

鉴于锗和锡与硅来自元素周期表中的同一主族，科学家们发现锗锡系统不仅可以有效克服硅技术的物理限制，而且与现有的芯片制造CMOS工艺兼容，所以，通过现有生产线便可以将锗锡晶体管直接集成到传统硅芯片中。

实验测量数据显示：由锗锡制成的新型晶体管的性能明显优于由硅制成的晶体管。首先，在低温低压的外部条件下，锗锡晶体管往往有更好的表现；其次，锗锡晶体管与激光器一起，为纳米电子学和光子学在单个芯片上的单片集成提供了更有前途的解决方案。