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科研人员研发新型石墨烯晶体管实现高开关比率  

来自惊鸿岂止一现   2013-01-24 19:08:08|  分类: 物理百科 |举报 |字号 订阅

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科研人员研发新型石墨烯晶体管实现高开关比率



 

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科研人员研发新型石墨烯晶体管实现高开关比率



 

科研人员研发新型石墨烯晶体管实现高开关比率
  作者:张巍巍 来源:科技日报 

    科技日报讯(记者张巍巍)据物理学家组织网1月23日(北京时间)报道,英国曼彻斯特大学的科研人员设计出一种新型石墨烯晶体管,在其中电子可借助隧穿和热离子效应,同时从上方和下方穿越障碍,并在室温下展现出高达1×106的开关比率。

  石墨烯晶体管获得较高的开关比率一直难以实现,而有了高开关比,以及其在柔性、透明基板上的操作能力,新型晶体管能够在后CMOS设备时代占有一席之地,并有望达到更快的计算速度。相关研究发表在近期出版的《自然·纳米技术》杂志上。

  石墨烯晶体管多具有三明治结构,以原子厚度的石墨烯作为外层,而以其他超薄材料作为中间夹层。这些中间层可以囊括多种不同材料。在此次的研究中,科学家使用二硫化钨(WS2)作为中间层,其能够作为两个石墨烯夹层之间原子厚度的壁垒。与其他壁垒材料相比,二硫化钨的最大优势在于,电子可借助热离子运输方式从上方越过障碍,也可利用隧穿效应从下方穿过障碍。处于关闭状态时,极少电子能借助上述方式穿越障碍,但当调至开启状态时,电子既能选用一种方式逾越壁垒,亦能同时选择两种方式以实现类似效果。

  开关间切换将改变晶体管的栅电压。负栅电压将形成关闭状态,因为其将增加隧穿障碍高度,因此几乎没有电子能够越过壁垒。而正栅电压能通过降低隧穿障碍的高度使晶体管转换至开启状态。同时,如果温度足够高,亦可借助热离子电流从上方越过壁垒。在低电压和低温的情况下,隧穿电流与电压呈线性关联。但当处于高压下时,隧穿电流会随电压呈现指数增长,此时热离子电流就会成为主要的传输机制。

  利用上述特质和二硫化钨壁垒材料,新晶体管成为目前性能最佳的石墨烯晶体管之一。此外,由于仅具有几个原子层的厚度,新型晶体管能够耐受弯曲,未来更有望应用于柔性、透明电子设备的制造,成为后CMOS设备时代的有力备选。

  人人都说电子领域里,石墨烯是硅的接班人,但想要进入实际应用的石墨烯,还需大幅提高其开关比。某种角度来看,这似乎不是个难事——电子在石墨烯中的移动速度本来就比硅快,即使不优化设计,石墨烯晶体管的速度也是硅的两倍还多。但在工艺和技术上,却远没那么轻松,不存在能隙的石墨烯晶体管一直以来都只有很小的开关比。亦因此,曼彻斯特大学此次实现的高开关比更显意义非常,尽管其性能或许离人们的预想值还有段距离,但正以井喷势头提升的数字,昭示着一个石墨烯器件时代,为期不远。



 

 

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