硅晶体管在信号的放大和开关中起着关键作用，几乎在所有电子设备中都不可或缺，从智能手机到汽车无不如此。然而，硅半导体技术因一种基本的物理极限所制约，无法在低于某个电压的情况下运行。

这种极限被称为“玻尔兹曼压制”，限制了计算机及其他电子设备的能效，尤其在当前人工智能技术飞速发展的背景下，能效问题尤为突出。

为了解决硅材料的这一根本性限制，MIT 的研究人员采用一套独特的超薄半导体材料，制造出一种不同类型的三维晶体管。

他们的器件采用仅几纳米宽的垂直纳米线设计，能在远低于传统设备的电压下高效运行，同时性能媲美最先进的硅晶体管。

“这种技术有可能取代硅，使之具备目前硅材料的所有功能，但能效更高，”MIT 博士后、论文主要作者 Yanjie Shao 说。

这些晶体管利用量子力学特性，在几平方纳米的面积内实现了低电压操作与高性能的平衡。由于体积极小，这些 3D 晶体管能够在计算机芯片上实现更高的集成密度，从而造就快速而高效的电子设备。

“在传统物理学的框架下，我们能走的路有限。但 Yanjie 的研究展示了通过不同的物理机制，我们能取得更好的成果。尽管这种技术商业化面临诸多挑战，但从概念上看，这确实是一项突破，”论文的资深作者、MIT 电气工程与计算机科学系（EECS）Donner 工程教授 Jesús del Alamo 说。

该论文的合作者还包括 MIT 核工程系东京电力公司教授兼材料科学与工程教授 Ju Li、EECS 研究生 Hao Tang、MIT 博士后 Baoming Wang，以及来自意大利乌迪内大学的教授 Marco Pala 和 David Esseni。该研究成果发表在 Nature Electronics 期刊上。

超越硅的极限

在电子设备中，硅晶体管通常用作开关。对晶体管施加电压后，电子会跨越一个能垒，从而使晶体管从“关”变为“开”，即完成一次开关操作。通过这种开关过程，晶体管以二进制方式进行计算。

晶体管的“开-关”斜率反映了开关转换的陡峭程度。斜率越陡，开启晶体管所需电压越低，能效也越高。