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中國科學院Dong-Ming Sun,Chi Liu和北京大學Li-Ning Zhang等--基于熱載流子受激發(fā)射的熱發(fā)射晶體管
        熱載流子晶體管是一類利用載流子過剩動能的器件。與依賴穩(wěn)態(tài)載流子傳輸?shù)某R?guī)晶體管不同,熱載流子晶體管將載流子調(diào)制到高能態(tài),從而提高了器件速度和功能。這些特性對于要求快速切換和高頻操作的應用至關重要,例如先進的電信和尖端計算技術。然而,傳統(tǒng)的熱載流子產(chǎn)生機制要么是載流子注入,要么是加速,這限制了器件在功耗和負差分電阻方面的性能。混合維器件結(jié)合了塊狀和低維材料,通過利用能帶組合形成的不同勢壘,可以為熱載流子產(chǎn)生提供不同的機制。在這里,我們報告了一種基于雙混合維石墨烯/鍺肖特基結(jié)的熱發(fā)射極晶體管,該晶體管利用熱載流子的受激發(fā)射來實現(xiàn)低于1毫伏/十倍頻程的亞閾值擺幅,超過玻爾茲曼極限,并且在室溫下具有大于100的峰谷電流比的負微分電阻。進一步展示了具有高反相器增益和可重新配置邏輯狀態(tài)的多值邏輯。這項工作報告了一種多功能熱發(fā)射極晶體管,具有低功耗和負差分電阻應用的巨大潛力,標志著后摩爾時代的一個有希望的進步。
 
 
圖 1. a,晶體管結(jié)構(gòu)圖,其中帶有缺口的單層Gr位于p-Ge襯底上(電阻率1–10ωcm)。兩個單獨的Gr層用作發(fā)射極(e)和基極(b ),通過HfO2窗口接觸Ge襯底,Ge襯底用作集電極(c ),電極為Ti/Au。晶體管的溝道長度和寬度被定義為HfO2窗口的長度和寬度。b是晶體管的橫截面圖,示出了在阿格襯底上具有間隙的單層Gr。使用光刻法制造間隙長度為2微米至75微米的晶體管,其中9個顯示在光學圖像中。刻度條,100 μm. d,傳遞特性Ic–Vb顯示負突然變化的集電極電流Ic,SS小于1mV dec 1,超過室溫下的Boltzmann限值。e,輸出特性Ic–Vc顯示NDR的PVR約為100。
 
 
圖 2. a、具有2微米間隙的晶體管的傳遞特性Ic–Vb,顯示集電極電流Ic突然變化,最小SS為0.38mV dec 1。b、SS–Ic關系顯示SS最小值為0.38mV dec 1至1.52mV dec 1,SS小于60 mV dec 1時的電流范圍約為1至3個數(shù)量級。c,晶體管的平均SS和最大導通電流的基準,SS小于60mV dec-1,與碰撞電離MOSFET(I-MOS)、耗盡型IMOS (DIMOS)、異質(zhì)結(jié)隧道場效應晶體管(HJ-TFET)、黑磷隧道場效應晶體管(BP TFET)、異質(zhì)結(jié)隧道三極管(HJ-TTs)、碳納米管隧道場效應晶體管(CNT TFET)和負電容場效應晶體管(NC-FET)相比,這是報告的最佳結(jié)果之一d、具有溫度相關電流行為的轉(zhuǎn)移特性。e,臨界基極偏置Vb-臨界當Ic開始突然增加時,隨Vc線性增加。對于不同的Vc偏置,隨著間隙長度dgap從5微米增加到75 μm g,器件顯示出增加的Vb臨界,隨著Ic突然增加,Ie也突然增加。h,I,Gr溝道中帶隙長度為dgap的晶體管的圖示(h)及其在Gr溝道附近的能帶圖(I)。
 
 
圖3. a、具有3微米間隙的晶體管的輸出特性Ic–Vc表示PVR。與溫度相關的輸出特性。c,對于Vb的不同偏置,具有從5微米到75微米增加的間隙長度dgap的器件顯示出降低的Vc峰值。d、峰值和谷值電流以及輸出特性中從90.6到24.6的相應PVR。e、與使用Si和Ge技術的Gr和RSTTs器件相比,我們器件的PVR基準。去吧,氧化石墨烯;六方氮化硼。
 
 
圖 4. a .在電路中,三個hoet(T1、T2和T3)與一個共Ti/Au發(fā)射極、一個共Ge集電極和分離基極并聯(lián)。b,使用器件符號的等效電路,顯示共發(fā)射極和共集電極以及分離的基極1-3。c,輸入(IN)和輸出(OUT)信號分別是電壓和電流。隨著Vb3的變化,Ic發(fā)生三次突變,表明該電路是一個四值數(shù)字邏輯反相器。當邏輯狀態(tài)改變時,反相器增益gm (dIc/dVb3)可以接近1 mA微米1 v1。e,f,Ie對Vb3的依賴性也是具有高反相器增益gm (dIe/dVb3) (f)的四進制反相器(e)的行為。g–I,當施加基極偏置的不同組合時,輸入邏輯信號Vc可以鏈接到不同的輸出邏輯信號ic,導致三進制數(shù)字邏輯反相器(g)、三進制跟隨器(h)和可用于構(gòu)建加法器(I)的組件。
 
       相關科研成果由中國科學院Dong-Ming Sun,Chi Liu和北京大學Li-Ning Zhang等人于2024年發(fā)表在Nature(https://doi.org/10.1038/s41586-024-07785-3)上。原文:A hot-emitter transistor based on stimulated emission of heated carriers
原文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41586-024-07785-3

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