石墨烯場效應管

作者：時間：2023-04-19 來源：卓晴

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隨著硅晶體管的尺寸和性能接近其物理極限，需要尋找替代材料來支持更多的新興技術(shù)，其中一個具有希望的材料石墨烯。由于其出色的電氣、機械和熱性能，使得它最有可能成為場效應晶體溝道材料。

本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/202304/445748.htm

一、前言

本文后面根據(jù) All about Circuits 中的一篇文章，介紹有關(guān)石墨烯場效應晶體管（GFET）的構(gòu)造、優(yōu)勢以及現(xiàn)在遇到的挑戰(zhàn)。

▲ 圖1.1 石墨烯場效應管

二、GFET結(jié)構(gòu)

基本 GFET 是一種三端器件，在某些方面類似于傳統(tǒng) FET。它由源極、漏極和頂柵或背柵組成。與硅基晶體管不同，GFET 在源極和漏極金屬電極之間存在一個薄的石墨烯通道，厚度通常為幾十微米。

▲ 圖2.1 石墨烯場效應管結(jié)構(gòu)

圖片來自于 BGT Materials

柵極控制石墨烯通道中的電子和空穴的產(chǎn)生與分布，從而控制通道的行為。

三、石墨烯特性

石墨烯材料有著一些顯著特性，使其制作的 GFET 適用于電子、通信、化學、生物、能源和其他行業(yè)的應用。

石墨烯是一種二維單碳原子層材料，碳原子以二維蜂窩或六方晶格形式組成晶體結(jié)構(gòu)。

▲ 圖3.1 石墨烯材料結(jié)構(gòu)

石墨烯材料的一些優(yōu)越性能包括：

● 高導電性：石墨烯理論上可以100%的效率傳輸電能。石墨烯在室溫下電阻率非常低，超過硅硅本征遷移率的 100 倍。它在某些條件下表現(xiàn)出超導性（例如，以 1.1 度的角度扭曲雙層石墨烯或?qū)⑵淅鋮s至絕對零以上 1.7°C）。

● 高導熱性：石墨烯是一種各向同性導體，可以向各個方向散熱，導熱性優(yōu)于其他材料，包括金剛石、碳納米管和石墨。

● 光學性能好：石墨烯極薄，但仍可見，可吸收約2.3%的白光。（這對于 2D 材料來說是相當多的）。將這種能力與卓越的電性能相結(jié)合，使石墨烯成為適合制造高效太陽能電池的材料。

● 化學性能優(yōu)異：石墨烯是一種惰性材料，不易與其他材料發(fā)生反應。然而，在某些條件下，它可以通過吸收一些其它分子和原子來改變其性質(zhì)，這使其適用于化學和生物傳感器等應用。

▲ 圖3.2 石墨烯半導體硅片

四、GFET柵極三種結(jié)構(gòu)

GFET 有三種主要的柵極配置。典型的晶體管可以具有頂柵、全局背柵或兩者結(jié)合，如下圖所示。

▲ 圖4.1 石墨烯三種柵極配置形式

與傳統(tǒng)的硅 FET 一樣，GFET 中的柵極控制電子或空穴在其通道中的流動。由于晶體管溝道只有一個原子厚，所有電流都在其表面流動，因此石墨烯 FET 具有非常高的靈敏度。

普通的硅器件使用電子或空穴兩者之一形成電流流動。然而，GFET 卻可以使用兩者（電子，空穴）形成電流，所以GFET 器件具有雙極性特征，在負偏壓下通道采用空穴載流子傳導，在正偏壓下通道采用電子載流子傳導。

兩條傳導曲線在狄拉克點或電荷中性點相交，理論上應該為零電壓。在實踐中，實際的狄拉克點可能會根據(jù)摻雜、石墨烯表面的雜質(zhì)水平、周圍大氣和其他條件而發(fā)生變化。例如，一些 p 型摻雜石墨烯 FET 器件的典型值為 10-40V。

▲ 圖4.3 底部柵極GFET對應的傳輸特性以及狄拉克點

雖然背柵GFET最常見，但同時使用頂柵和背柵的四端GFET可以適合某些特殊應用。雙柵極 GFET 可以用兩個不同的電壓對通道進行偏置。

▲ 圖4.4 雙柵極GFET結(jié)構(gòu)

在典型應用中，雙柵極 FET 使用兩個柵極偏置來控制通道的電荷濃度。

GFET的優(yōu)勢

● 石墨烯優(yōu)異的導電性和導熱性使其工作時的電能損耗更低、散熱性能更好所以基于石墨烯的晶體管有可能獲得更大的功率器件。

● 一個原子厚的結(jié)構(gòu)意味著整個通道都在表面上。因此，在傳感器應用中，通道直接暴露于被測材料或環(huán)境，提高了器件的敏感度。生物和化學中具有廣泛的應用。比如它可以檢測在其石墨烯通道表面上的單個分子。

● 使用薄的頂柵絕緣體材料可以改善 GFET 參數(shù)，例如開路增益、正向傳輸系數(shù)和截止頻率。這使得 GFET 適合應用在高頻信號處理方面。從理論上講，GFET的開關(guān)頻率可以接近太赫茲范圍，這比硅基 FET 可以達到的速度快幾倍。

● 傳統(tǒng)半導體材料的晶格結(jié)構(gòu)存在一些局限性，高頻下功耗增加，而石墨烯的六方晶格結(jié)構(gòu)缺陷少、電子遷移高率等因素提高了在太赫茲頻率下的性能。

▲ 圖5.1 石墨烯特性檢測

五、GFET 挑戰(zhàn)

石墨烯 FET 是硅基晶體管的潛在替代品，但要形成商業(yè)應用還需要克服一下三個方面的困難：

● 帶隙限制

● 制造成本

● 飽和

1、缺乏帶隙

盡管 GFET 是一種快速高效的晶體管，但它沒有帶隙，它的價帶和導帶在零偏壓下相遇，此時石墨烯表現(xiàn)得像金屬。

硅等半導體材料兩個能帶被一個間隙隔開，在正常條件下表現(xiàn)為絕緣體。電子需要一些額外的能量才能從價帶躍遷到導帶。在 FET 中，偏置電壓使電子從價帶躍遷到導帶。

不幸的是，因GFET 中沒有帶隙，因此很難關(guān)閉晶體管，因為它不能充當絕緣體。無法將其完全關(guān)閉。GFET的開/關(guān)電流比約為 5，這對于邏輯操作來說非常低，這使得GFET無法直接應用在數(shù)字開關(guān)電路中。在模擬電路中， GFET工作在變阻區(qū)時就沒有問題了，所以GFET 適用于放大器、混合信號電路和其他模擬應用。