[技术前沿]一种可动态配置的晶体管

计算机操作是一个简单的过程：特定的晶体管组执行预定的逻辑功能。但计算机研究人员希望有一天，电子电路不会被困在只执行一项特定任务。相反，其想法是可以根据情况需要切换电路来执行各种功能——一种动态重新编程。

在一项可能重塑电子电路和芯片设计的发展中，维也纳工业大学的一个研究团队推出了新一代智能可控晶体管，能够在硬件层面灵活地重新编程。这项创新代表了对传统半导体技术的背离，提供了数据处理的适应性和效率。

传统的芯片制造方法涉及掺杂——用某些外来原子故意污染半导体材料。当这些原子比它们周围的原子多一个电子时，额外的电子可以相对容易地在材料内移动。另一方面，当它们少一个电子时，周围的电子就可以移动。这反过来会导致电子在其他地方丢失，形成所谓的“空穴”——电子丢失的地方——并且该空穴会移动通过材料。

移动电子和移动空穴在微电子学中都发挥着重要作用。掺杂决定了电流可以流过的位置和方向以及不能流过的位置和方向。这意味着传统晶体管的功能在制造过程中是固定的，不能再改变。然后使用控制电极打开或关闭流过晶体管的电流。

维也纳工业大学团队开发的晶体管采用了一种称为静电掺杂的技术。这是一种用电场代替复杂且昂贵的化学掺杂过程的方法。通过电场控制材料中的电子和空穴传输，这些晶体管可以动态地重新配置以执行不同的任务，从而消除了传统晶体管的固定功能。

“我们的可重构晶体管允许在基本开关单元上进行重新配置，而不是将信息路由到固定的功能单元，”维也纳工业大学固态电子研究所教授沃尔特·M·韦伯（Walter M. Weber）说。“这意味着我们的方法对于可重构计算和人工智能应用来说非常有前景。”

研究团队于2021年首次展示了这些智能、可配置晶体管。现在的突破在于，他们已经证明所有基本逻辑电路都可以使用这些可重构晶体管进行组装。另外，这些逻辑电路可以通过重新配置部件而转换成其他电路。韦伯说，他们制作的简单逻辑单元表明可以制造通用电路，并且可以在制造后定义它们的实际功能。

“在我们的可重构器件（具有未掺杂的半导体通道）中，我们在每个金属-半导体结顶部添加了额外的电极，即所谓的‘程序门’，以过滤掉不需要的电荷载流子类型， ”维也纳工业大学在电子邮件回复中。“通过半导体通道顶部的第二个电极，即所谓的‘控制栅极’，可以控制流经器件的电流以打开和关闭晶体管（如经典MOSFET中的那样）。”

Wind解释说，电场不会给晶体管增加热量。然而，向每个晶体管添加额外的栅电极最终会占用空间。Wind写道：“很可能无法将这些可重构场效应晶体管 (RFET) 做得像标准CMOS晶体管一样小。” “因此，我认为RFET不太可能消除对普通晶体管的需求，但它们可以共存并用于某些应用或电路，这些应用或电路可以从其灵活的可重新配置特性中获益，从而减少晶体管数量、能源效率或性能”。

虽然RFET可能不像CMOS晶体管那么小，但晶体管的可重新配置特性意味着晶体管总数减少，同时仍保持相同的功能。晶体管数量的减少不仅节省了芯片空间，还有助于降低功耗并提高能源效率。例如，仅通过切换单个晶体管或整个电路的极性，单个电路就可以具有多种不同的功能。

在用于神经形态计算的可重构设备的其他工作中，维也纳工业大学的最新设备不需要任何新的工艺或材料，如钙钛矿。新晶体管使用半导体行业的主要材料：硅和锗。“我们的方法与经典基于晶体管的数字电路中使用的方法非常相似，因此可以直接在同一芯片上实现并扩展其功能。”Wind写道。

尽管存在将额外的栅电极集成到晶体管等挑战，但研究团队对其技术的潜力仍然持乐观态度。Wind写道：“下一步的重大举措将是基于RFET的电路的大规模工业级制造。”

这项研究的意义超出了传统的芯片设计。Wind表示，可重构晶体管为硬件安全解决方案、模拟电路中的新颖应用以及神经形态计算的进步开辟了可能性，从而实现了自学习和自适应系统。
原文地址：https://spectrum.ieee.org/reconfigurable-transistor