超越1和0：增加多值逻辑晶体管的可行性

随着制造晶体管尺寸的技术逼近物理极限，研究人员已经开始寻找替代技术，以便规模较小的计算机也可以更智能地工作。尽管目前的晶体管变得更小、更便携、 运行起来也更快，但可以装入单个计算机芯片的二进制晶体管的数量仍然达到了极限。

在90年代后期，我们就已经受到了硅芯片上集成电路的物理尺寸限制。到2025年，我们将无法将更多晶体管装入集成电路。

为什么要缩小规模

如果计算机芯片可以在较小的设备上执行更多的计算，那么目前所研究的新技术将在工业和消费电子产品中得到广泛应用。

 “多值逻辑晶体管并不是新概念，我们已经尝试制造类似的器件很多次了，并实现了它。”德克萨斯大学达拉斯分校材料科学与工程教授Kyeongjae Cho博士说。

利用氧化锌实现多值逻辑晶体管

多值逻辑晶体管的关键在于氧化锌（ZnO）、4-巯基苯酚分子与铝接头（Al4MP）的交替连接层。

（图片由Kyeongjae Cho博士等人提供）

ZnO的无机层与有机Al4MP交替，形成氧化锌晶体（QD）和非晶体的复合系统，可在一个晶体管内产生三种不同的状态。第三个状态的能量图如上图所示。

这产生了由氧化锌纳米晶体和非晶体形成的量子点（QDs）复合系统。非晶体的局域化状态和量子点的量子化离散态可通过共振能量匹配的方式诱导能态的选择性杂化，从而产生被研究人员称为“量子化扩展”的第三种状态。

（图片由UT达拉斯提供)

如上图所示，左，氧化锌晶体嵌入非晶体的氧化锌中。右，展示电子密度分布的计算机结构模型。

三元，四元甚至更多元的系统目前以具有多个阈值电压值的负差分电阻（NDR）器件和量子点栅极场效应晶体管（QDGFET）的形式存在。但是，在最近的一段时间内，两者都不可能与现有硬件集成。NDR器件仅仅能够用于具有负电阻的材料或电流流动特性随着两端电压的增加而降低的材料，其尚不能够与传统半导体兼容。同时，QDGFET在溶液中聚合而成的薄膜，也并非完全适合工厂进行量产。

最重要的是，这两种系统都不能在一系列栅极电压范围内表现出稳定的中间电流状态。然而 UT Dallas系统在硅芯片上运行，缩小了理论和适用的多态逻辑晶体管之间的差距。

移动边缘量子化

Cho团队发现的量子化扩展状态究竟是什么？它是一种稳定的中间状态，其电流可以通过最靠近电压源的ZnO厚度调节来改变。这是ZnO-硅杂化物的独特性质，预期两个平行连接的ZnO层将同时增加电流。

量子化的扩展状态之所以被称为移动边缘量子化是因为它仅发生在ZnO层中晶体和非晶体能量分离的迁移率边缘。而在迁移率边缘之外的晶体管局部状态，则呈现出彼此不重叠的波函数，扩展状态则呈现分布波函数，而量子化的扩展状态仅沿着ZnO晶体和非晶体的边界显示出离域波函数。

（图片由Kyeongjae Cho等博士提供）

在该论文的补充图像8中，研究人员在新芯片中观察到了能量图，其中包含了三种状态的相应计算机模型。状态I是局部状态，状态II是量子化扩展状态，状态III是扩展状态。

量子器件的未来

 “展望未来，我也想看到我们如何将这项技术与量子器件联系起来。”Cho说。

现有的量子计算系统依赖于允许量子比特在两种状态之间进行转换的晶体管。 使用量子力学现象使其能够在三种或更多种状态之间进行选择，这可能为量子计算开辟出一个新世界。

此外，量子点不仅适用于计算机芯片， 也正用于太阳能窗户发电的实施。

参考链接：https://www.engineering.com/DesignerEdge/DesignerEdgeArticles/ArticleID/19207/Beyond-1-and-0-Increasing-Feasibility-of-Multi-Value-Logic-Transistors.aspx

图片来源：www.engineering.com

| 编辑:Yoking , 校对:Sakura |

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