利用门控负微分电阻的碳化硅低温神经形态电路

为什么超低温计算机重要

量子计算机和超灵敏的空间仪器必须在接近绝对零度的温度下运行，即使极少的废热也可能导致问题。因此，工程师需要能在几乎不消耗功率的情况下进行“思考”和响应的电子电路。本研究展示了如何将一种熟悉的半导体材料——碳化硅，制成在这种深冷环境中可靠工作的微小类神经元构建模块，可能有助于控制未来的量子机器。

熟悉晶体管的新转折

研究人员以垂直结构的碳化硅晶体管为起点，这是一种已在工业大晶圆上量产的常用品。当他们将该晶体管冷却到约2开尔文以下时，其电流—电压特性发生了显著变化。电流不再随电压单调上升，而出现了电压增大反而电流下降的区段。这种反直觉的效应称为负微分电阻，它产生了一种天然的切换行为：器件可以在极低电流态与极高电流态之间跃迁，开/关比超过一千万，同时关态下几乎没有泄漏电流。

冷电子如何产生锋利开关

在如此低的温度下，晶体管内部的大多数电子被困在杂质原子上而无法移动，因此器件几乎不导电。当施加栅极电压时，会为电子从高掺杂的源区进入轻掺杂区打开一条通路。在那里，强电场使一些电子通过碰撞电离将其他电子从杂质位点打出，这一过程称为冲击电离。由于碳化硅中氮原子产生了两个相近的施主能级，这场连锁反应会非常突然地开启然后饱和，形成负微分电阻特有的S形电流曲线。关键是，这个切换区的位置和宽度可以通过调节栅极电压来简单地调控，从而将器件变成高度可编程的元件。

将器件变成人工低温神经元

利用这种可控的切换，研究团队构建了几种模拟生物神经元不同行为的神经形态电路。在一个感受型神经元电路中，电阻和电容缓慢为晶体管充电，直到达到切换阈值，随后负微分电阻导致快速放电，产生尖锐的电压脉冲。重复这一周期会产生一列脉冲，脉冲频率取决于输入信号和电路参数，类似于在更强刺激下发放更快的真实感受神经。由于切换由稳定的材料性质主导而非热效应，脉冲在多次循环以及不同器件和晶圆批次间保持稳健。

以极低功耗实现逻辑与记忆

相同的构建模块也能执行逻辑和类似记忆的功能。通过将脉冲送入一个小电容然后短时使能晶体管，电路可以根据所选的控制电压表现为脉冲版本的或门或与门。在另一种配置中，器件作为积分-发放神经元，累加输入脉冲直到达到阈值然后发出强烈的输出脉冲。研究者演示了正负两种变体，使得一个级的输出可以直接驱动下一级，并展示了这些神经元组成的级联链在约十分之一开尔文的温度下稳定运行。

从实验室演示到低温“脑”

尽管实验使用的是相对较大的分立元件，作者估算完全集成在碳化硅芯片上的版本可以将每个神经元缩小到几百平方微米，并将每次脉冲的能耗降低到仅数十飞焦耳。由于碳化硅的工艺在工业上已相当成熟，这种方法可扩展到晶圆上的大量器件并与其他低温组件共存。简言之，这项工作指出了一条构建微小、类脑控制电路的路径，这些电路几乎不会加热周围环境，非常适合管理脆弱的量子比特、低温传感器和运行在绝对零度边缘的空间仪器。

引用: Yang, X., Porter, M., Qin, Y. et al. Cryogenic neuromorphic circuits using gate-controlled negative differential resistance in silicon carbide. Nat Commun 17, 4351 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70963-6

关键词: 低温电子学, 碳化硅, 神经形态电路, 负微分电阻, 量子计算控制