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石墨烯场效应管基本概念分析-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2021-01-15 

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石墨烯场效应管基本概念分析-KIA MOS管


石墨烯场效应管概念

场效应管(FET)是一种具有pn结的正向受控作用的有源器件,它是利用电场效应来控制输出电流的大小,其输入端pn一般工作于反偏状态或绝缘状态,输入电阻很高,栅极处于绝缘状态的场效应管,输入阻抗很大。


目前广泛应用的是SiO2为绝缘层的绝缘栅场效应管,称为金属-氧化物-半导体场效应管,简称MOSFET。以功能类型划分,MOSFET分为增强型和耗尽型两种;


其中耗尽型与增强型主要区别是在制造SiO2绝缘层中有大量的正离子,使在P型衬底的界面上感应出较多的负电荷,即在两个N型区中间的P型硅内形成一层N型硅薄层而形成一个导电沟道;


所以在VGS=0时,有VDS作用时也有一定的ID(IDSS);当VGS有电压时(可以是正电压或负电压),改变感应的负电荷数量,从而改变ID的大小。VP为ID=0时的-VGS,称为夹断电压。


石墨烯场效应管


MOSFET的特点是用栅极电压来控制漏极电流。随着微电子集成化的需要越来越高,FET器件的尺寸也越来越小,而普通FET器件散热性受材料本身限制很难有进一步的提高,石墨烯由于其优良的热导率制作出的FET器件-石墨烯场效应管"完美"的解决该问题。


石墨烯场效应管

石墨烯场效应管曲线


石墨烯(Graphene)是-种由碳原子以sp2 杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。2004 年,石墨烯被成功地从石墨中分离出来。


石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光,导热系数高达5300 W/mK,高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率超过15000 cm2/Vs, 又比碳纳米管或硅晶体迁移率高,而电阻率只约10-6Ωcm,比铜或银更低,为目前世上电阻率最小的材料。


因为它的电阻率极低,电子传输的速度极快,因此被期待为可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或电晶体的材料。


半金属 Graphene不仅具有高载流子浓度和载流子迁移率,亚微米尺度的弹道输运特性和电场调制载流子特性,而且可以在室温下稳定存在,为 Graphene的实用化奠定了基础。


利用Graphene制造的晶体管可以实现低功耗、高频率、小型化等特性。由于 Graphene是半金属性材料 (semi- metal),在狄拉克点处能带交叠,没有带隙,因此很难实现开关特性。为了使Graphene可以应用于晶体管的制造,通过各种方法在 Graphene中形成带隙:


(1)通过对称性破缺场或相互作用等使Graphene简并度降低,朗道能级发生劈裂,在导带与价带之间引入能隙。这方面工作目前主要集中在双层Graphene上,通过掺杂、外加电场以及基底作用诱导等方式引入对称破缺,实现人工调制能隙。


(2)对于弱无序体系,被弱屏蔽的库仑相互作用可以改变带粒子图景,使 Graphene出现能隙(量子霍尔铁磁)。


(3)通过尺寸效应或量子受限 (如Graphene nanoribbons)引入能隙。Barone等人通过密度泛函计算预言,对于手性纳米带,导带与价带间的带隙随着手性角的变化发生振荡。


对于某些类型的Graphene纳米带,通过调节纳米带宽,也可以实现对带隙宽度的调节 (能隙与纳米带宽之间存在反比关系)。




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