晶体管是现代电子学的基石，通常由硅制成。作为一种半导体材料，硅能够控制电路中的电流流动。但硅存在物理极限，限制了晶体管在体积压缩和能效提升方面的空间。

麻省理工学院（MIT）的研究人员如今用磁性半导体替代了硅，研制出新型磁性晶体管。这种材料的磁性强烈影响其电子特性，使电流控制更加高效，有望实现更小、更快且更节能的电路。团队采用了一种新型磁性材料，并通过优化工艺减少缺陷，从而显著提升了器件性能。

这种材料独特的磁性还使晶体管具备内置存储功能，能够简化电路设计，并为高性能电子产品开辟新应用空间。

MIT 电气工程与计算机科学系及物理系研究生 Chung-Tao Chou 表示：“人类认识磁体已有数千年，但磁性进入电子器件的方式极为有限。我们展示了一种高效利用磁性的全新途径，为未来应用和研究打开了广阔空间。”

相关成果论文近日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

突破硅的极限

在电子设备中，硅半导体晶体管像微小的开关，通过电压控制电路的“开”与“关”，或放大微弱信号。然而，硅半导体存在基本物理极限，电压无法低于某一阈值，这限制了能效的进一步提升。

为此，科研人员数十年来一直探索利用电子自旋（spin）来控制电流的磁性晶体管。电子自旋是电子的基本属性，使其表现为微型磁体。但此前常用的磁性材料缺乏半导体优良的电子特性，导致器件性能受限。

“在这项研究中，我们将磁性与半导体物理结合，开发出实用的自旋电子器件。”MIT 副教授 Luqiao Liu 介绍。

研究团队在晶体管表层使用了硫溴化铬（CrSBr）这一二维磁性半导体材料。该材料能在两种磁性状态间清晰切换，非常适合作为能够平滑开关的晶体管。实验发现，磁性状态的切换会改变材料的电子特性，从而实现低能耗操作。同时，与许多其他二维材料不同，溴化硫铬在空气中也能保持稳定。

研究人员通过在硅基片上制作电极，再将厚度仅数十纳米的二维材料转移到其表面来制造晶体管。与常见的溶剂或胶水转移方法不同，他们采用“胶带取样”技术，避免了表面污染，从而保证了器件的高性能。

利用磁性实现更强功能

得益于干净的材料表面，该器件性能超越了现有磁性晶体管。多数传统磁性晶体管只能让电流变化几个百分点，而这款新型晶体管能放大电流达 10 倍。

研究人员通过外加磁场改变材料的磁性状态，实现了比传统晶体管所需更低能耗的开关。同时，该材料还能通过电流直接调控磁性，这对工程应用至关重要——因为在实际电路中，工程师无法对每个晶体管施加独立磁场，只能通过电信号进行控制。

此外，该材料的磁性特性使得晶体管兼具存储功能。通常一个存储单元需要一个磁性元件存信息，再配合晶体管读取。而这种方法可将两者合二为一，形成既能开关又能存储的磁性晶体管。

Luqiao Liu 解释：“现在晶体管不仅能开和关，还能记住信息。而且我们能以更大幅度切换晶体管，信号更强，读取速度更快，也更加可靠。”

未来，团队计划进一步研究如何利用电流来精准控制该器件，并努力让这一方法具备规模化制造的潜力，从而实现晶体管阵列的加工与应用。

该研究获得了半导体研究公司（SRC）、美国国防高级研究计划局（DARPA）、美国国家科学基金会（NSF）、美国能源部（DOE）、美国陆军研究办公室以及捷克教育、青年和体育部的支持，并部分在 MIT.nano 平台完成。

原文链接：

1.https://news.mit.edu/2025/mit-engineers-develop-magnetic-transistor-more-energy-efficient-electronics-0923