Полевые транзисторы на графене

Поскольку решение проблемы создания энергетической щели в графене далеко от завершения, то основная область применения графена – это аналоговая электроника. Основное преимущество транзисторов на графене по сравнению с традиционными полупроводниками заключается в их высоком быстродействии, что обусловлено рекордными значениями подвижности носителей заряда. Поэтому графен, как материал для создания транзисторов, привлек к себе огромное внимание практически сразу же после его открытия Геймом и Новоселовым в 2004 году. Так в США Министерство обороны уже в 2008 году объявило и профинансировало программу CERA (Carbon Electronics for RF Applications - Углеродная электроника для ВЧ-приложений). Целью программы была разработка графеновых электронных компонентов для высокочастотной связи, радарных систем и т. д. Ключевым элементом программы была разработка сверхбыстродействующего графенового полевого транзистора, позволяющего создавать широкополосные (свыше 90 ГГц) малошумящие и мало потребляющие энергию усилители. Эта программа в скором времени принесла свои результаты. Разумеется, в этом направлении работы проводились не только в рамках программы CERA.

Для создания транзисторов с высокими характеристиками, необходимо максимально уменьшать как толщину подзатворного диэлектрика (для уменьшения напряжения питания и повышения электростатического качества), так и ширину канала (для увеличения динамического диапазона токов транзистора). Поэтому в транзисторах в качестве подзатворного диэлектрика вместо SiO₂ предпочтительнее использовать диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью Al₂O₃, HfO₂ или Y₂O₃. На рис. 3.29а показана конструкции полевого транзистора на графене, в котором в качестве подзатворного диэлектрика используется Al₂O₃ (толщина слоя составляет 3 – 5 нм). На рис 3.29б представлен вариант топологии транзистора с двумя электродами истока, что позволило увеличить ток стока.

а) б)

Рис. 3.29. Структура полевого транзистора на графене (а) и вариант топологии электродов

для увеличения тока стока

Типичная зависимость тока стока I_C через транзистор от напряжения U_З между затвором и истоком показана на рис. 3.30. Через U_ЗАКР обозначено напряжение на затворе, при котором через транзистор течет минимальный ток.

Рис. 3.30 Типичная передаточная характеристика полевого транзистора на графене

Физическую причину такой зависимости объясняют энергетические диаграммы, показанные на рис. 3.31. По оси ординат отложена энергия обобществленных электронов металла и графена, по оси абсцисс – координата вдоль канала. Через Е_Ф обозначен уровень Ферми. В области канала проводимости условно показаны энергетические зоны: ВЗ – валентная зона и ЗП – зона проводимости, которые для графена соприкасаются.

Когда к затвору приложено напряжение U_З = U_ЗАКР (диаграмма слева), уровень Ферми Е_Ф в графене проходит точно через точку соприкосновения зон ВЗ и ЗП. В этом случае валентная зона ВЗ практически полностью заполнена, а зона проводимости ЗП графена практически пуста. Концентрация носителей заряда в канале транзистора наименьшая. Она определяется лишь уровнем тепловой генерации носителей заряда. Поэтому через транзистор течет наименьший электрический ток.

Рис 3.31. Энергетическая диаграмма полевого транзистора на графене при разных напряжениях между затвором и истоком

Когда напряжение на затворе снижается (энергетическая диаграмма в центре), энергетические зоны в графене из-за повышения электростатической потенциальной энергии поднимаются. Уровень Ферми Е_Ф проходит через валентную зону ВЗ ниже точки соприкосновения зон. Валентная зона заполняется не полностью, в канале проводимости возрастает концентрация дырок, и электрический ток через транзистор значительно возрастает.

Когда напряжение на затворе повышается по сравнению с U_ЗАКР (энергетическая диаграмма справа), энергетические зоны в графене из-за уменьшения электростатической потенциальной энергии опускаются. Уровень Ферми Е_Ф проходит через зону проводимости ЗП выше точки прикосновения зон. Зона проводимости частично заполняется, в канале транзистора возрастает концентрация электронов проводимости, и электрический ток сквозь транзистор тоже значительно возрастает.

Как уже отмечалось, из-за отсутствия в графене запрещенной энергетической щели между валентной зоной и зоной проводимости, данный полевой транзистор при комнатных температурах не удается полностью закрывать. Поэтому цифровые устройства на таких транзисторах потребляют заметный электрический ток и рассеивают относительно большую мощность. Для аналоговых устройств наличие энергетической щели не обязательно. Поэтому на таких транзисторах уже реализовано множество аналоговых устройств, например, усилителей радиосигналов сверхвысоких частот. Имеются сообщения о реализации полевых транзисторов на основе графена с предельной частотой 230 ГГц при длине канала порядка 200 нм и о создании на основе таких транзисторов ультраширокополосных (порядка 100 ГГц) радиоусилителей с очень низким уровнем собственного шума и относительно малым потреблением электроэнергии.