世界最小晶体管有多小

● 文/瞿立建

手机、平板电脑、电话手表……这些电子设备的核心元件都是芯片，而芯片的核心元件则是晶体管。芯片中容纳的晶体管越多，电子设备的功能就越强大。

摩尔定律发展受阻

在电子行业，有一个摩尔定律，即芯片上容纳的晶体管数目约每隔两年增加1倍。芯片行业大致按照摩尔定律发展了半个多世纪，并驱动了一系列科技创新。个人电脑、互联网、智能手机等的出现和发展，都绕不开摩尔定律。

然而，最近10年，摩尔定律开始显现疲态，表现得难以为继了。因为晶体管已经做得很小了，接近理论极限，即栅极长度为5纳米。5纳米是多大呢？大约是人头发直径的万分之一。

栅极是晶体管里负责控制整个结构开关的最关键部位。栅极长度越小，晶体管就能做得越小。因此，栅极长度成为衡量晶体管大小最重要的指标。

5纳米这个理论极限是对于制造芯片的常用材料硅来说的，如果用其他材料制造芯片，还是有可能突破这个极限，造出更小的晶体管，为摩尔定律“续命”。

一些常见的晶体管

计算设备的体积不断缩小

世界最小晶体管诞生

近年来，科学家探索用二维材料来制造芯片。这里的“维”是空间维度的简称。零维是一个点，一维是一条线，二维是一个平面，三维是二维加上高度，形成的立体物体。

二维材料就是由一层或少数几层原子或分子组成的平面状的材料。著名的二维材料就是石墨烯，它是一层碳原子。

二硫化钼也可做成二维材料，它由两层硫原子夹着一层钼原子组成。2016年，美国科学家用二硫化钼做出了栅极长度为1纳米的晶体管，创造了晶体管小型化的纪录。2021年，湖南大学的科学家用二硫化钼做出了栅极长度为0.65纳米的晶体管。2022年3月10日，清华大学宣布，清华集成电路学院的科学家创造了新的纪录，利用二硫化钼和石墨烯，成功研制栅极长度为0.34纳米的晶体管。

清华大学研究人员把晶体管设计成了一种台阶结构，二硫化钼薄膜像地毯一样，铺到“台阶”的上、下层，“地毯”的上层和下层分别对应着晶体管开关的两端，“台阶”中间插入一层石墨烯，充当晶体管的栅极。控制这层石墨烯边缘的电压，就可以控制“台阶”上、下层之间的导通和关闭。石墨烯边缘只有一层碳原子，厚度大约是0.34纳米——于是，科学家就这样研制出了世界上栅极长度最小的晶体管。这也达到了栅极长度的物理极限，因为栅极最少也得包含一层原子。

一层碳原子组成的石墨烯是一种二维材料

二维材料二硫化钼，黄色小球代表硫原子，绿色小球代表钼原子

理论到实践还需时日

这是不是意味着中国已经笑傲世界芯片行业之巅？不。

清华大学这个成果是学术研究，证明了用二维材料构建晶体管是可行的。要把这种晶体管组装成芯片，即把几十亿个这样的晶体管集成在一起，还需要在实验室里继续探索。即便在实验室做出了芯片，还需要改善工艺，以便能在工厂里进行批量化生产。

一个科研成果，从实验室走到实际应用，长路漫漫，每一步都考验着人类的智慧、坚毅、勇气、洞察力。期待清华大学研制的史上最小晶体管能早日实现成果转化，带给我们更便捷、美好的生活。