纳米技术如何影响晶体管

晶体管一直是许多电子产品中的主要组件，并且已经存在了 70 多年。如果不是他们的不断发展和完善，他们也不会有现在的计算能力。

然而，据信这种发展可能会限制大块材料晶体管可以通过基于摩尔定律的自上而下方法缩小到的数量，摩尔定律观察到密集集成电路中的晶体管数量大约每两年翻一番。

因此，另一种方法是使它们更小——通过自下而上的方法逐个原子地构建纳米级晶体管。这种方法可以制造出纳米尺寸的晶体管，并且由于纳米材料是非常有效的材料，这意味着已经实现了小而有效的晶体管。

晶体管改进的必要性

不断创新以提高电子设备的性能，同时减小其尺寸的需求意味着许多组件必须通过更先进的制造方法和先进的材料制造。在一些应用中，更小的晶体管意味着更多的晶体管可以适合给定的区域，放大设备的电子信号并使其更有效。与其他方法相比，简单地将晶体管小型化以获得更高性能的概念很简单，但实际实施却更具挑战性。

实现如此高度的小型化和性能改进的方法并不多，但显示出很大前景的一种方法是纳米材料——尽管从商业角度来看它仍处于起步阶段。优异的电子特性、响应能力、与其他系统相互作用的能力、高稳定性（包括热稳定性）以及它们固有的小尺寸意味着纳米材料已成为构建下一代晶体管的绝佳选择。此外，现在可用的自下而上的纳米制造方法意味着可以创建许多这些小型晶体管并将其集成到芯片和电路板中。

从商业角度来看，这些方法并不适合所有应用程序。但随着制造成本和制造难度的不断提高，纳米级晶体管将在更多应用中变得可行。下面，我们看几个纳米晶体管已经开始产生影响的关键例子。

受纳米技术启发的晶体管应用

已经使用纳米材料创建了多种类型的晶体管。然而，场效应晶体管是一种常见的晶体管，因为它的多功能性和与已经开始在其核心设计中使用纳米材料的设备的兼容性。一个重要的例子是传感器。尽管纳米传感器不需要基于晶体管，但其中很多都是（并且许多充当场效应晶体管），因为纳米材料的电气和表面特性意味着当分子结合（分子传感）或当当地环境（温度、湿度等）发生变化或出现应变时。

与基于 FET 的纳米材料传感器和感兴趣的目标的相互作用会改变电信号，这对应于可读输出。由于 FET 传感器应用中使用的纳米材料具有高电导率和电荷载流子迁移率，因此传感响应通常比其他基于 FET 的传感器好得多。一个显示出巨大前景的常见例子是石墨烯，特别是因为它的多功能性和电气特性，并且已经为多种应用开发了基于石墨烯的 FET——包括非常具体的应用，例如在 COVID-19 期间检测 SARS-CoV-2 病毒株暴发。这些传感器在灵敏度和尺寸方面的改进，意味着纳米技术在这些应用中的影响迄今为止是巨大的。

另一个关键示例是电路板，基于纳米材料的晶体管的尺寸在这里起着重要作用。计算机内的电路板和处理组件严重依赖晶体管来改变和放大电子信号。处理器芯片上每单位面积的晶体管越多，速度就越快——这会导致性能和计算能力的整体提升。创建纳米级晶体管的能力意味着每个区域可以集成更多的晶体管，从而提高芯片的性能——尤其是当使用的纳米材料具有高导电性时，例如碳纳米管 (CNT)。因为它们可以逐个原子地从头构建，所以它们可以以定制的方式集成到芯片中，以与芯片的常用架构和设备中的不同组件兼容。

结论

开发人员一直致力于制造不仅在放大和改变电子信号方面更有效，而且比现有晶体管更小的晶体管。在纳米电子学的这种规模上，没有多少材料可以同时满足这两个方面，但纳米材料就是这样一种富有成效的选择。电子特性和固有的微型尺寸加上纳米材料的稳定性使得能够创建更先进和更小的晶体管。这里的重点是几个更突出、商业上可行和有用的应用领域——例如 FET 传感器、集成电路 (IC) 芯片和电路板空间。但更多的应用正在研究中，纳米技术半导体在未来可能成为商业现实。

审核编辑：汤梓红