什么是石墨烯场效应晶体管(get)?建设、利益和挑战

随着硅晶体管的尺寸和性能接近其物理极限，有必要寻找替代材料来支持新兴技术。其中一种正在被研究的材料是石墨烯，它是一种有吸引力的场效应晶体管通道材料，因为它具有优越的电学、力学和热性能。

在本文中，我们将讨论GFET的基础知识，包括其建筑，在那里它们优于其他场效应晶体管，以及它们面临挑战的地方。

定义石墨烯晶体管

基本GFET是一种三个终端设备，其以某种方式与传统FET类似。它由源，漏极和顶部或后门组成。与硅基晶体管不同，GFET具有薄的石墨烯通道，通常在源极和漏极金属电极之间的微米厚度。

具有石墨烯通道的石墨烯场效应晶体管。使用的图像礼貌BGT材料

门控制电子如何响应，从而响应频道的行为。

石墨烯材料的性能

让我们讨论石墨烯材料的显着特性，使得适用于电子，通信，化学，生物，能源和其他行业的应用的GFET。yabosports官网

石墨烯是一种二维单碳原子层材料，其通常在2D蜂窝或六边形晶格中被发现为紧密填充原子。

石墨烯层的结构。使用的图像礼貌核心材料[cc by-sa 2.0]

一些石墨烯材料的优越特性包括：

• 高电特性：石墨烯理论上可以以100％效率转移电流。通常，石墨烯在室温下具有非常低的电阻率，以及硅的高100倍超过100倍的高固有迁移率。另外，它在某些条件下表现出超导性（例如，以1.1度的角度扭曲双层石墨烯或使其冷却至1.7℃以上的绝对零）。
• 高导热系数:石墨烯是一种各向同性的导体，可以向各个方向散热，导热性能优于金刚石、碳纳米管和石墨等其他材料。
• 良好的光学性质:石墨烯非常薄，但仍然可见，可以吸收约2.3％的白光。（对于2D材料相当大）。将这种能力与卓越的电性能相结合使得石墨烯成为建筑高效太阳能电池的有吸引力的材料。
• 优异的化学性质：石墨烯是惰性材料，其不易与其他材料反应。然而，在某些条件下，它可以吸收一些改变其性质的一些不同的分子和原子。这使其适用于化学和生物传感器等应用。

GFET配置和门偏置

get有三种主要的门配置。典型的晶体管可以有一个顶栅，一个全局后门，或者两者都有，如下所示。

石墨烯FET中的不同门配置：a）顶栅GFET，b）背栅GFET和C）双栅极GFET

与传统的硅FET一样，GFET中的栅极控制在其通道上的电子或孔的流动。由于晶体管通道仅是一个原子厚，所以所有电流在其表面上流动，因此石墨烯FET的高灵敏度。

硅器件中的电流主要通过电子或空穴流动。然而，get允许电子和空穴相等的传导。通常，get器件具有双极性行为，其中空穴载流子导电发生在负偏压下的沟道区域。另一方面，正偏压导致电子载流子导电。

两个导电曲线在DIAC或电荷中性点相遇，理论上应在零电压下。然而，在实践中，实际的DIAC点可以根据掺杂而转移，石墨烯表面，环境大气和其他条件的杂质的水平。例如，一些P掺杂的石墨烯FET器件具有10-40V的典型值。

背栅偏压下GFET的传递特性和DIRAC点

虽然后栅GFET是最常见的，但是使用顶部和背部门的四端GFET适用于某些应用。双栅极GFET使具有两个不同的电压偏置通道。

Gibileo，F.，＆Bartolomeo，A的石墨烯FET双栅偏置图像。（2017）。接触电阻在石墨烯场效应装置中的作用。表面科学进展，92,143-175。

在典型的应用中，双门控FET使用两个栅极偏置来控制通道的电荷浓度。

基于石墨烯的FET的好处

石墨烯具有优异的导电性和导热性，电阻损耗低，散热效果好于硅。因此，石墨烯晶体管具有提高性能和效率的潜力。

单原子厚的结构意味着整个通道都在表面。对于传感器应用，通道因此直接暴露在测试材料或环境中。因此，一些GFETs是高度敏感的，适用于广泛的生物和化学传感应用。例如，它可以探测到从表面分离或附着在表面上的单个分子。

最后，研究人员已经建立了使用薄的顶栅绝缘体材料改善了GFET参数，例如开路增益，前向传输系数和截止频率。因此，这开辟了GFET应用的其他可能性，包括在非常高的频率下的操作。从理论上讲，晶体管具有在接近太赫兹范围的非常高的速度下切换的电位，这比基于硅的FET更快的速度速度快几倍。

传统半导体材料的晶格结构有一些局限性，导致它在更高的频率下耗散更多的热量。另一方面，石墨烯的六边形晶格结构、高电子迁移率等因素使其能够更好地在太赫兹频率下工作。

GFET挑战

石墨烯FET是硅基晶体管的有吸引力的替代品。但是，有一些挑战使商业生产困难，即：

• 隙的局限性
• 制造成本
• 饱和

缺乏能带

尽管是快速高效的晶体管，但GFET没有带隙。无间隙结构意味着化合价和导通带在零伏特处相遇，因此制造石墨烯表现得像金属。在诸如硅的半导体材料中，两个带分开间隙，该间隙在正常条件下表现在绝缘体中。

通常，电子需要一些额外的能量才能从价带跃迁到导带。在fet中，偏置电压使电流通过带，带在没有偏置时充当绝缘体。

不幸的是，get中带隙的缺失使得晶体管很难关闭，因为它不能像绝缘体一样工作。不能完全关闭它导致的通/关电流比约为5，这是相当低的逻辑操作。因此，在数字电路中使用gfet是一个挑战。然而，这不是模拟电路的问题，因此使get适合于放大器，混合信号电路和其他模拟应用。

石墨烯的E-k图。放大的部分显示在狄拉克点处的零带隙。使用的图像礼貌曼彻斯特大学

多方正在研究解决这些带隙挑战的方法，包括诸如负电阻方法等技术和制造的自下而上的合成技术。

精细而昂贵的制造

石墨烯晶体管的制造方法与硅装置的制造工艺不同，并且需要精细，复杂和昂贵的方法。

GFET制造过程涉及将石墨烯层沉积到硅晶片上，然后在端部添加金属触点。制造商通常使用化学气相沉积来合成石墨烯层。然后分层方法将合成的石墨烯转移并将其沉积到靶SiO 2底物上。

其他步骤包括构建栅极介质、栅极触点，最后使用提离过程或其他合适的方法构建接触电极。

传统实践经常在石墨烯通道材料中引入杂质和缺陷。有时这将导致电荷载流子的散射，并降低电气性能，除了改变掺杂水平之外。具体问题包括Dirac Point班次和低移动性。

模拟电路中的饱和度

广泛GFET采用方式的另一个挑战是当前饱和度不足，这防止晶体管达到RF应用中的最大电压增益和振荡频率。

然而，制造商可以通过优化绝缘顶部栅极的介电材料来克服这一点。通常，良好的介电栅极材料可以更好地控制石墨烯通道中的载体，从而提高性能。

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