石墨烯場(chǎng)效應管基本概念分析-KIA MOS管

石墨烯場(chǎng)效應管概念

場(chǎng)效應管(FET)是一種具有pn結的正向受控作用的有源器件，它是利用電場(chǎng)效應來(lái)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)效應管，輸入阻抗很大。

目前廣泛應用的是SiO2為絕緣層的絕緣柵場(chǎng)效應管，稱(chēng)為金屬-氧化物-半導體場(chǎng)效應管，簡(jiǎn)稱(chēng)MOSFET。以功能類(lèi)型劃分，MOSFET分為增強型和耗盡型兩種；

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

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

MOSFET的特點(diǎn)是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流。隨著(zhù)微電子集成化的需要越來(lái)越高，FET器件的尺寸也越來(lái)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)良的熱導率制作出的FET器件-石墨烯場(chǎng)效應管"完美"的解決該問(wèn)題。

石墨烯場(chǎng)效應管曲線(xiàn)

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(lái)。

石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，導熱系數高達5300 W/mK，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過(guò)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。

因為它的電阻率極低，電子傳輸的速度極快，因此被期待為可用來(lái)發(fā)展出更薄、導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特性和電場(chǎng)調制載流子特性，而且可以在室溫下穩定存在，為 Graphene的實(shí)用化奠定了基礎。

利用Graphene制造的晶體管可以實(shí)現低功耗、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(méi)有帶隙，因此很難實(shí)現開(kāi)關(guān)特性。為了使Graphene可以應用于晶體管的制造，通過(guò)各種方法在 Graphene中形成帶隙：

（1）通過(guò)對稱(chēng)性破缺場(chǎng)或相互作用等使Graphene簡(jiǎn)并度降低，朗道能級發(fā)生劈裂，在導帶與價(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(guò)摻雜、外加電場(chǎng)以及基底作用誘導等方式引入對稱(chēng)破缺，實(shí)現人工調制能隙。

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

（3）通過(guò)尺寸效應或量子受限 （如Graphene nanoribbons）引入能隙。Barone等人通過(guò)密度泛函計算預言，對于手性納米帶，導帶與價(jià)帶間的帶隙隨著(zhù)手性角的變化發(fā)生振蕩。

對于某些類(lèi)型的Graphene納米帶，通過(guò)調節納米帶寬，也可以實(shí)現對帶隙寬度的調節 （能隙與納米帶寬之間存在反比關(guān)系）。

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