北大张志勇-彭练矛Science: Dirac源场效应晶体管作为节能、高性能的电子开关

cc 6年前 (2018-07-27) 4835浏览

【前言】

通过电池供电来延长器件运行时间大大促进了电子工业的发展。通过减少供应电压以及设计具有更大的次阈值摆幅（SS）的晶体管来实现最小的功耗，这样便可以实现以更快的速度从off状态切换到on状态。然而，传统的Si互补金属氧化物半导体(CMOS)场效应晶体管(FET) 在室温下被限制在60 mV/decade，因为在典型的n型FET中，source中的电子被栅极电压调制而阻止流向drain。source中的电子具有能量分布(通常是热玻尔兹曼分布)，该分布扩展到超过由栅极产生的势垒的值，该势垒在SS上的限制为60 mV/decade。

在保持on状态电流I_on和off状态电流I_off同时，将需要使用不同的操作机制的晶体管。这些器件包括隧道晶体管(T-FETs）、碰撞电离FETs（i-FETs）、正反馈和负栅电容FETs（NC-FETs）。T-FETs已经成为最有前途的替代方案，它有可能通过使用低于0.5 V的供应电压来克服60 mV/decade的热限制，从而提供显著的功耗节约。然而，所有的T-FETs都严重限制了on状态电流（通常低于10 μA/μm），并且60 mV/decade的最陡开关斜率SS通常不会在整个亚阈值区域持续。其他类型——60 mV/decade的晶体管也有一些严重的缺陷，如强的滞回效应和有限的速度、稳定性或电压可扩展性。

【成果简介】

今日，来自北京大学的张志勇-彭练矛课题组在Science上发表文章，题为：Dirac-source field-effect transistors as energy-efficient, high-performance electronic switches。团队表明,具有在费米能级附近比传统的场效应晶体管更窄的电子密度分布的石墨烯Dirac源(DS)可以降低SS。在室温下具有碳纳米管通道的DS-FET能够提供平均40mV/decade，并且在60mV/decade下高器件电流I₆₀达到了40 μA/μm。与最先进的硅14纳米节点FETs相比，该团队在更低的0.5V（硅的电压为0.7伏）应用偏压下得到了一个类似的on状态电流，而在off状态下，低于35mV/decade。

【图文导读】

图1. 电子密度分布及常规源和Dirac源的特性