石墨烯场效应管

一、前言

本文后面根据 All about Circuits 中的一篇文章，介绍有关石墨烯场效应晶体管（GFET）的构造、优势以及现在遇到的挑战。

随着硅晶体管的尺寸和性能接近其物理极限，需要寻找替代材料来支持更多的新兴技术，其中一个具有希望的材料石墨烯。由于其出色的电气、机械和热性能，使得它最有可能成为场效应晶体沟道材料。

▲ 图1.1 石墨烯场效应管

二、GFET结构

基本 GFET 是一种三端器件，在某些方面类似于传统 FET。它由源极、漏极和顶栅或背栅组成。与硅基晶体管不同，GFET 在源极和漏极金属电极之间存在一个薄的石墨烯通道，厚度通常为几十微米。

▲ 图2.1 石墨烯场效应管结构图片来自于 BGT Materials

栅极控制石墨烯通道中的电子和空穴的产生与分布，从而控制通道的行为。

三、石墨烯特性

石墨烯材料有着一些显着特性，使其制作的 GFET 适用于电子、通信、化学、生物、能源和其他行业的应用。

石墨烯是一种二维单碳原子层材料，碳原子以二维蜂窝或六方晶格形式组成晶体结构。

▲ 图3.1 石墨烯材料结构

石墨烯材料的一些优越性能包括：

高导电性：石墨烯理论上可以100%的效率传输电能。石墨烯在室温下电阻率非常低，超过硅硅本征迁移率的 100 倍。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将其冷却至绝对零以上 1.7°C）。

高导热性：石墨烯是一种各向同性导体，可以向各个方向散热，导热性优于其他材料，包括金刚石、碳纳米管和石墨。

光学性能好：石墨烯极薄，但仍可见，可吸收约2.3%的白光。（这对于 2D 材料来说是相当多的）。将这种能力与卓越的电性能相结合，使石墨烯成为适合制造高效太阳能电池的材料。

化学性能优异：石墨烯是一种惰性材料，不易与其他材料发生反应。然而，在某些条件下，它可以通过吸收一些其它分子和原子来改变其性质，这使其适用于化学和生物传感器等应用。

▲ 图3.2 石墨烯半导体硅片

四、GFET栅极三种结构

GFET 有三种主要的栅极配置。典型的晶体管可以具有顶栅、全局背栅或两者结合，如下图所示。

▲ 图4.1 石墨烯三种栅极配置形式

与传统的硅 FET 一样，GFET 中的栅极控制电子或空穴在其通道中的流动。由于晶体管沟道只有一个原子厚，所有电流都在其表面流动，因此石墨烯 FET 具有非常高的灵敏度。

普通的硅器件使用电子或空穴两者之一形成电流流动。然而，GFET 却可以使用两者（电子，空穴）形成电流，所以GFET 器件具有双极性特征，在负偏压下通道采用空穴载流子传导，在正偏压下通道采用电子载流子传导。

两条传导曲线在狄拉克点或电荷中性点相交，理论上应该为零电压。在实践中，实际的狄拉克点可能会根据掺杂、石墨烯表面的杂质水平、周围大气和其他条件而发生变化。例如，一些 p 型掺杂石墨烯 FET 器件的典型值为 10-40V。

▲ 图4.3 底部栅极GFET对应的传输特性以及狄拉克点

虽然背栅GFET最常见，但同时使用顶栅和背栅的四端GFET可以适合某些特殊应用。双栅极 GFET 可以用两个不同的电压对通道进行偏置。

▲ 图4.4 双栅极GFET结构

在典型应用中，双栅极 FET 使用两个栅极偏置来控制通道的电荷浓度。

GFET的优势

石墨烯优异的导电性和导热性使其工作时的电能损耗更低、散热性能更好所以基于石墨烯的晶体管有可能获得更大的功率器件。

一个原子厚的结构意味着整个通道都在表面上。因此，在传感器应用中，通道直接暴露于被测材料或环境，提高了器件的敏感度。生物和化学中具有广泛的应用。比如它可以检测在其石墨烯通道表面上的单个分子。

使用薄的顶栅绝缘体材料可以改善 GFET 参数，例如开路增益、正向传输系数和截止频率。这使得 GFET 适合应用在高频信号处理方面。从理论上讲，GFET的开关频率可以接近太赫兹范围，这比硅基 FET 可以达到的速度快几倍。

传统半导体材料的晶格结构存在一些局限性，高频下功耗增加，而石墨烯的六方晶格结构缺陷少、电子迁移高率等因素提高了在太赫兹频率下的性能。

▲ 图5.1 石墨烯特性检测

五、GFET 挑战

石墨烯 FET 是硅基晶体管的潜在替代品，但要形成商业应用还需要克服一下三个方面的困难：带隙限制制造成本饱和

1、缺乏带隙

尽管 GFET 是一种快速高效的晶体管，但它没有带隙，它的价带和导带在零偏压下相遇，此时石墨烯表现得像金属。

硅等半导体材料两个能带被一个间隙隔开，在正常条件下表现为绝缘体。电子需要一些额外的能量才能从价带跃迁到导带。在 FET 中，偏置电压使电子从价带跃迁到导带。

不幸的是，因GFET 中没有带隙，因此很难关闭晶体管，因为它不能充当绝缘体。无法将其完全关闭。GFET的开/关电流比约为 5，这对于逻辑操作来说非常低，这使得GFET无法直接应用在数字开关电路中。在模拟电路中， GFET工作在变阻区时就没有问题了，所以GFET 适用于放大器、混合信号电路和其他模拟应用。