石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管基本概念分析-KIA MOS管

石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管概念

場(chǎng)效應(yīng)管(FET)是一種具有pn結(jié)的正向受控作用的有源器件，它是利用電場(chǎng)效應(yīng)來控制輸出電流的大小，其輸入端pn一般工作于反偏狀態(tài)或絕緣狀態(tài)，輸入電阻很高，柵極處于絕緣狀態(tài)的場(chǎng)效應(yīng)管，輸入阻抗很大。

目前廣泛應(yīng)用的是SiO2為絕緣層的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管，稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱MOSFET。以功能類型劃分，MOSFET分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種；

其中耗盡型與增強(qiáng)型主要區(qū)別是在制造SiO2絕緣層中有大量的正離子，使在P型襯底的界面上感應(yīng)出較多的負(fù)電荷，即在兩個(gè)N型區(qū)中間的P型硅內(nèi)形成一層N型硅薄層而形成一個(gè)導(dǎo)電溝道；

所以在VGS＝0時(shí)，有VDS作用時(shí)也有一定的ID(IDSS)；當(dāng)VGS有電壓時(shí)(可以是正電壓或負(fù)電壓)，改變感應(yīng)的負(fù)電荷數(shù)量，從而改變ID的大小。VP為ID＝0時(shí)的-VGS，稱為夾斷電壓。

MOSFET的特點(diǎn)是用柵極電壓來控制漏極電流。隨著微電子集成化的需要越來越高，F(xiàn)ET器件的尺寸也越來越小，而普通FET器件散熱性受材料本身限制很難有進(jìn)一步的提高，石墨烯由于其優(yōu)良的熱導(dǎo)率制作出的FET器件-石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管"完美"的解決該問題。

石墨烯場(chǎng)效應(yīng)管曲線

石墨烯(Graphene)是-種由碳原子以sp² 雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。2004 年，石墨烯被成功地從石墨中分離出來。

石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300 W/mK，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000 cm²/Vs， 又比碳納米管或硅晶體遷移率高，而電阻率只約10^-6Ωcm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。

因?yàn)樗碾?/span>阻率極低，電子傳輸?shù)乃俣葮O快，因此被期待為可用來發(fā)展出更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或電晶體的材料。

半金屬 Graphene不僅具有高載流子濃度和載流子遷移率，亞微米尺度的彈道輸運(yùn)特性和電場(chǎng)調(diào)制載流子特性，而且可以在室溫下穩(wěn)定存在，為 Graphene的實(shí)用化奠定了基礎(chǔ)。

利用Graphene制造的晶體管可以實(shí)現(xiàn)低功耗、高頻率、小型化等特性。由于 Graphene是半金屬性材料 （semi- metal），在狄拉克點(diǎn)處能帶交疊，沒有帶隙，因此很難實(shí)現(xiàn)開關(guān)特性。為了使Graphene可以應(yīng)用于晶體管的制造，通過各種方法在 Graphene中形成帶隙：

（1）通過對(duì)稱性破缺場(chǎng)或相互作用等使Graphene簡(jiǎn)并度降低，朗道能級(jí)發(fā)生劈裂，在導(dǎo)帶與價(jià)帶之間引入能隙。這方面工作目前主要集中在雙層Graphene上，通過摻雜、外加電場(chǎng)以及基底作用誘導(dǎo)等方式引入對(duì)稱破缺，實(shí)現(xiàn)人工調(diào)制能隙。

（2）對(duì)于弱無序體系，被弱屏蔽的庫(kù)侖相互作用可以改變帶粒子圖景，使 Graphene出現(xiàn)能隙（量子霍爾鐵磁）。

（3）通過尺寸效應(yīng)或量子受限 （如Graphene nanoribbons）引入能隙。Barone等人通過密度泛函計(jì)算預(yù)言，對(duì)于手性納米帶，導(dǎo)帶與價(jià)帶間的帶隙隨著手性角的變化發(fā)生振蕩。

對(duì)于某些類型的Graphene納米帶，通過調(diào)節(jié)納米帶寬，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)帶隙寬度的調(diào)節(jié) （能隙與納米帶寬之間存在反比關(guān)系）。

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