北大張志勇-彭練矛Science: Dirac源場效應晶體管作為節能、高性能的電子開關

cc 5年前 (2018-07-27) 4115瀏覽

【前言】

通過電池供電來延長器件運行時間大大促進了電子工業的發展。通過減少供應電壓以及設計具有更大的次閾值擺幅（SS）的晶體管來實現最小的功耗，這樣便可以實現以更快的速度從off狀態切換到on狀態。然而，傳統的Si互補金屬氧化物半導體(CMOS)場效應晶體管(FET) 在室溫下被限制在60 mV/decade，因為在典型的n型FET中，source中的電子被柵極電壓調制而阻止流向drain。source中的電子具有能量分布(通常是熱玻爾茲曼分布)，該分布擴展到超過由柵極產生的勢壘的值，該勢壘在SS上的限制為60 mV/decade。

在保持on狀態電流I_on和off狀態電流I_off同時，將需要使用不同的操作機制的晶體管。這些器件包括隧道晶體管(T-FETs）、碰撞電離FETs（i-FETs）、正反饋和負柵電容FETs（NC-FETs）。T-FETs已經成為最有前途的替代方案，它有可能通過使用低于0.5 V的供應電壓來克服60 mV/decade的熱限制，從而提供顯著的功耗節約。然而，所有的T-FETs都嚴重限制了on狀態電流（通常低于10 μA/μm），并且60 mV/decade的最陡開關斜率SS通常不會在整個亞閾值區域持續。其他類型——60 mV/decade的晶體管也有一些嚴重的缺陷，如強的滯回效應和有限的速度、穩定性或電壓可擴展性。

【成果簡介】

今日，來自北京大學的張志勇-彭練矛課題組在Science上發表文章，題為：Dirac-source field-effect transistors as energy-efficient, high-performance electronic switches。團隊表明,具有在費米能級附近比傳統的場效應晶體管更窄的電子密度分布的石墨烯Dirac源(DS)可以降低SS。在室溫下具有碳納米管通道的DS-FET能夠提供平均40mV/decade，并且在60mV/decade下高器件電流I₆₀達到了40 μA/μm。與最先進的硅14納米節點FETs相比，該團隊在更低的0.5V（硅的電壓為0.7伏）應用偏壓下得到了一個類似的on狀態電流，而在off狀態下，低于35mV/decade。

【圖文導讀】

圖1. 電子密度分布及常規源和Dirac源的特性