澳大利亚墨尔本皇家理工大学（RMIT）的研究人员设计了一种新型晶体管，这些晶体管不是通过硅发送电流，而是通过狭窄的气隙发送电子，像在太空中一样畅通无阻地行进。该器件成果在国际纳米材料领域权威期刊《纳米快报》（Nano Letters）上发表，新型器件完全不使用任何半导体，使其更快、更不容易发热。
图：在空气中工作的纳米间隙晶体管。当间隙变得小于空气中电子的平均自由程时，就会发射电子进行传输。来源：RMIT大学
数十年来，计算机芯片的功率——或集成到硅芯片上的晶体管数量——一直在可预测的路线上增长，大约每两年增加一倍，即著名的摩尔定律。但这种进展的速度，近年来已经放缓，因为工程师们正在努力制造更小的晶体管器件，而这些器件已经比最小的病毒还要小。
RMIT大学功能材料和微系统研究小组博士生、该成果第一作者Shruti Nirantar女士表示：“每台计算机和手机都有数百万到数十亿的硅电子晶体管，但这种技术正在达到其物理极限，硅原子阻碍了电流流动，限制硅电子晶体管的速度并产生热量。新研究的空气通道晶体管技术是通过空气传输电流，所以不会因发生碰撞使其减速，并且材料中没有产生热量的电阻。”
Nirantar表示：“他们的研究是纳米电子的一个有前途的方向，以应对硅基电子的局限性。这项技术只是采取了不同的途径来实现晶体管的小型化，以在未来几十年努力维持摩尔定律的发展。”
研究小组负责人Sharath Sriram副教授表示：“该设计解决了传统固体通道晶体管的一个主要缺陷，即晶体管中充满了原子，这意味着穿过晶体管的电子会发生相互碰撞，导致速度减慢，并以热能的形式浪费能量。”
Sriram说：“想象一下，在人群密集的街道上行走，努力从A点走到B点，人群会使你的速度减慢，并消耗你的能量。另一方面，在真空中行进就像走在一条空旷的高速公路，在那里你可以以更高的能效行驶的更快。”
但是，尽管这个概念很明显，围绕晶体管进行的真空封装解决方案使晶体管变得更快的同时也会使它们体积变得更大，因此是不可行的。
Sriram指出：“我们通过在两个金属点之间构建一个纳米级间隙来解决这个问题。这个间隙只有几十纳米，比人类头发的宽度小5万倍，但这足以让电子误以为它们正在真空中行进，并在纳米尺度的气隙中为电子重新创造一个虚拟的外太空。”
该纳米级器件的设计与现代工业制造和开发工艺是兼容的。
Nirantar指出：“这种极具前景的概念验证设计，将金属和气隙的结合起来，有望为电子行业带来革命性的变革。”
Sriram表示:“这是迈向令人兴奋的技术的一步，该技术旨在显著提高电子产品的速度，并保持技术快速进步的步伐。”
新器件还具有太空应用前景，既可以抵抗辐射，也可以利用电子发射来控制和定位“纳米卫星”。
Shruti Nirantar et al, Metal–Air Transistors: Semiconductor-free field-emission air-channel nanoelectronics, Nano Letters (2018). DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02849
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