导读 半导体公司正在努力开发尺寸仅为纳米的设备，其中大部分挑战在于能够更准确地描述纳米级的基础物理。但是一种已经投入使用十年的新计算方法

半导体公司正在努力开发尺寸仅为纳米的设备，其中大部分挑战在于能够更准确地描述纳米级的基础物理。但是一种已经投入使用十年的新计算方法可以打破这些障碍。

在过去的几十年里，使用半导体的设备，从计算机到太阳能电池，都获得了巨大的效率提升。著名的是，英特尔的联合创始人之一戈登摩尔观察到集成电路中的晶体管数量大约每两年翻一番——这个“摩尔定律”在一段时间内一直适用。

然而，近年来，随着试图设计纳米级晶体管的公司在原子水平上达到小型化的极限，这种收益已经放缓。

KAIST 电气工程学院的研究人员开发了一种研究半导体基础物理的新方法。

“以开放量子系统作为我们实验室的主要研究对象，我们正在重新审视那些理所当然甚至出现在标准半导体物理教科书中的概念，例如操作半导体器件的电压降，”首席研究员杨永教授说。金勋。“质疑如何在纳米尺度上理解所有这些概念并可能对其进行修改，很明显，我们目前的理解有些不完整。”

“随着半导体芯片缩小到原子水平，提出更好的理论来描述半导体器件已成为一项紧迫的任务。”

目前的理解表明，半导体是充当导体(如铜或钢)和绝缘体(如橡胶或聚苯乙烯泡沫塑料)之间的中间房屋的材料。它们有时导电，但并非总是如此。这使它们成为有意控制电流流动的绝佳材料，这反过来又可用于构建简单的开/关开关——晶体管——这是计算机中存储器和逻辑设备的基础。

为了“开启”半导体，需要施加电流或光源，激发原子中的电子从充满电子的“价带”跃迁至“导带”，最初未填充或仅部分填充电子。由于外部刺激而跃升至导带的电子和剩余的“空穴”现在能够四处移动并充当电荷载流子以流动电流。

描述导带中电子和价带中空穴的数量以及进行这种跳跃所需的能量的物理概念是根据所谓的“费米能级”表述的。例如，您需要知道电子和空穴的费米能级，才能知道将从太阳能电池中获得多少能量，包括损耗。

但是费米能级的概念只直接定义，只要在半导体器件处于平衡状态，坐在架子上无所作为和整点的半导体器件不能离开他们在货架上。

大约 70 年前，贝尔实验室晶体管的共同发明者、诺贝尔奖获得者威廉肖克利提出了一些理论捏造，即“准费米能级”或 QFL，从而能够进行粗略的预测和测量价带空穴和导带电子之间的相互作用，到目前为止，这一直很有效。

“但是当你在几个纳米的尺度上工作时，理论上计算或实验测量 QFL 分裂的方法是不可用的，”金教授说。

这意味着在这个规模上，与电压降相关的错误等问题具有更大的意义。

Kim 的团队花了近十年的时间开发了一种新颖的纳米级量子电子传输理论描述，可以取代标准方法 - 以及允许他们使用它的软件。这涉及到一些被称为密度泛函理论的数学的进一步发展，它简化了描述电子相互作用的方程，并且在其他领域非常有用，例如高通量计算材料的发现。

他们第一次能够计算 QFL 分裂，从而对原子级器件中电压降与量子电子传输之间的关系有了新的理解。

除了用他们的新方法研究各种有趣的非平衡量子现象外，该团队现在正在进一步将他们的软件开发成一种计算机辅助设计工具，供半导体公司用于开发和制造先进的半导体器件。