一种突破性的晶体管

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来源 ： 内容编译自MIT 。

晶体管是现代电子产品的基石，通常由硅制成。由于硅是一种半导体，这种材料可以控制电路中的电流。但硅的基本物理限制限制了晶体管的紧凑性和能效。

麻省理工学院的研究人员现已用磁性半导体取代硅，创造出一种磁性晶体管，可以实现更小、更快、更节能的电路。这种材料的磁性强烈影响着其电子行为，从而更有效地控制电流。

该团队采用了一种新型磁性材料和优化工艺，减少了材料的缺陷，从而提高了晶体管的性能。

该材料独特的磁性还允许晶体管内置内存，这将简化电路设计并开启高性能电子产品的新应用。

“人们对磁铁的认识已有数千年，但将磁性融入电子产品的方法却非常有限。我们展示了一种有效利用磁性的新方法，为未来的应用和研究开辟了许多可能性。”麻省理工学院电气工程与计算机科学系（EECS）和物理系研究生、此项进展论文的共同第一作者周忠涛（Chung-Tao Chou）说道。

与周博士共同撰写该论文的还有：材料科学与工程系 (DMSE) 研究生尤金·帕克 (Eugene Park)，DMSE 研究科学家朱利安·克莱因 (Julian Klein)，麻省理工学院等离子体科学与聚变中心博士后何塞普·英格拉-艾恩斯 (Josep Ingla-Aynes)，物理系高级研究科学家贾加迪什·S·穆德拉 (Jagadeesh S. Moodera)，资深作者、DMSE TDK 教授弗朗西斯·罗斯 (Frances Ross)，电子工程与计算机科学系副教授、电子研究实验室成员刘路桥，以及布拉格化学与技术大学的其他人员。该论文发表在今天的《物理评论快报》上。

突破极限

在电子设备中，硅半导体晶体管就像微型电灯开关，可以控制电路的通断，或在通信系统中放大微弱信号。它们只需很小的输入电压就能实现这些功能。

但硅半导体的基本物理限制使得晶体管无法在低于一定电压的情况下工作，从而影响了其能源效率。

为了制造更高效的电子产品，研究人员花费了数十年时间研发利用电子自旋控制电流的磁性晶体管。电子自旋是一种基本特性，它使电子能够像微型磁铁一样运动。

到目前为止，科学家们大多局限于使用某些磁性材料。这些材料缺乏半导体的良好电子特性，从而限制了器件的性能。

刘说：“在这项工作中，我们结合磁学和半导体物理学来实现有用的自旋电子器件。”

研究人员用溴化铬硫（一种充当磁性半导体的二维材料）取代晶体管表面层的硅。

由于该材料的结构，研究人员可以非常清晰地在两种磁状态之间切换。这使得它非常适合用于在“开”和“关”之间平稳切换的晶体管。

“我们面临的最大挑战之一是找到合适的材料。我们尝试了许多其他材料，但都没有效果。”周说。

他们发现，改变这些磁状态会改变材料的电子特性，从而实现低能量运行。与许多其他二维材料不同，溴化铬硫在空气中保持稳定。

为了制造晶体管，研究人员将电极图案化到硅基板上，然后小心地对准并转移二维材料到上面。他们用胶带拾取一小块厚度只有几十纳米的材料，并将其放置在基板上。

“很多研究人员会使用溶剂或胶水来进行转移，但晶体管需要非常干净的表面。我们通过简化这一步骤消除了所有这些风险。”周说。

利用磁性

这种无污染的特性使他们的设备性能优于现有的磁性晶体管。大多数其他设备只能产生微弱的磁效应，对电流的改变只有几个百分点甚至更少。而他们的新晶体管可以将电流切换或放大10倍。

他们利用外部磁场来改变材料的磁性状态，从而以比通常所需少得多的能量来切换晶体管。

这种材料还能让他们利用电流控制磁状态。这一点很重要，因为工程师无法将磁场施加到电子设备中的单个晶体管上。他们需要用电来控制每一个晶体管。

该材料的磁性还可以使晶体管具有内置内存，从而简化逻辑或内存电路的设计。

典型的存储设备由一个磁性单元和一个晶体管组成，前者用于存储信息，后者用于读取信息。而他们的方法可以将两者结合到一个磁性晶体管中。

“现在，晶体管不仅能开关，还能记忆信息。而且由于我们能以更大的幅度切换晶体管，信号也更强，因此我们能够更快、更可靠地读取信息，”刘说。

基于此次演示，研究人员计划进一步研究利用电流控制该设备。他们还在努力使该方法具有可扩展性，以便制造晶体管阵列。

这项研究得到了半导体研究公司、美国国防高级研究计划局（DARPA）、美国国家科学基金会（NSF）、美国能源部、美国陆军研究办公室以及捷克教育、青年和体育部的部分支持。部分工作在 MIT.nano 设施进行。

https://news.mit.edu/2025/mit-engineers-develop-magnetic-transistor-more-energy-efficient-electronics-0923

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