делятся на два семейства: полевые транзисторы с переходом (JFET) и полевые транзисторы с изолированным затвором (IGFET). IGFET более известен как полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET), что отражает его первоначальную конструкцию из слоев металла (затвор), оксида (изоляция) и полупроводника.В отличие от IGFET, затвор JFET образует p – n-диод с каналом, который находится между истоком и стоком. Функционально это делает n-канальный полевой транзистор JFET твердотельным эквивалентом триода для электронных ламп, который аналогично образует диод между своей сеткой и катодом. Кроме того, оба устройства работают в режиме истощения , они оба имеют высокий входной импеданс и оба проводят ток под контролем входного напряжения.

Полевые транзисторы «металл – полупроводник» (MESFET) — это полевые транзисторы JFET, в которых обратносмещенный p – n-переход заменен переходом металл – полупроводник.Они, а также HEMT (транзисторы с высокой подвижностью электронов или HFET), в которых для переноса заряда используется двумерный электронный газ с очень высокой подвижностью носителей, особенно подходят для использования на очень высоких частотах (микроволновые частоты; несколько ГГц).

далее делятся на типы обедненного режима и расширенного режима , в зависимости от того, включен или выключен канал с нулевым напряжением затвор-исток. Для режима улучшения канал отключен при нулевом смещении, и потенциал затвора может «улучшить» проводимость.Для режима обеднения канал включен при нулевом смещении, и потенциал затвора (противоположной полярности) может «истощить» канал, уменьшая проводимость. Для любого режима более положительное напряжение затвора соответствует большему току для n-канальных устройств и более низкому току для p-канальных устройств. Почти все полевые транзисторы JFET работают в режиме истощения, потому что диодные переходы будут направлять смещение и проводить, если бы они были устройствами в режиме улучшения; большинство IGFET являются типами расширенного режима.

Источник: Википедия

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Полупроводниковый прибор | электроника | Britannica

Полупроводниковые материалы

Твердотельные материалы обычно делятся на три класса: изоляторы, полупроводники и проводники.(При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками.) На рисунке 1 показаны удельные проводимости σ (и соответствующие удельные сопротивления ρ = 1 / σ), которые связаны с некоторыми важными материалами каждого из трех классов. Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют очень низкую проводимость, порядка от 10 ⁻¹⁸ до 10 ⁻¹⁰ сименс на сантиметр; а проводники, такие как алюминий, обладают высокой проводимостью, обычно от 10 ⁴ до 10 ⁶ сименс на сантиметр.Электропроводность полупроводников находится между этими крайними значениями.

Проводимость полупроводника обычно чувствительна к температуре, освещению, магнитным полям и незначительным количествам примесных атомов. Например, добавление менее 0,01 процента примеси определенного типа может увеличить электрическую проводимость полупроводника на четыре или более порядков (, то есть в 10000 раз). Диапазоны проводимости полупроводников за счет примесных атомов для пяти распространенных полупроводников приведены на рисунке 1.

Изучение полупроводниковых материалов началось в начале 19 века. За прошедшие годы было исследовано множество полупроводников. В таблице показана часть периодической таблицы, относящаяся к полупроводникам. Элементарные полупроводники состоят из отдельных видов атомов, таких как кремний (Si), германий (Ge) и серое олово (Sn) в столбце IV и селен (Se) и теллур (Te) в столбце VI. Однако существует множество сложных полупроводников, состоящих из двух или более элементов.Например, арсенид галлия (GaAs) представляет собой бинарное соединение III-V, которое представляет собой комбинацию галлия (Ga) из колонки III и мышьяка (As) из колонки V.

Тройные соединения могут быть образованы элементами из трех разных колонок, как, например, теллурид индия ртути (HgIn ₂ Te ₄ ), соединение II-III-VI.Они также могут быть образованы элементами из двух столбцов, такими как арсенид алюминия-галлия (Al _x Ga _{1 — x} As), который представляет собой тройное соединение III-V, где как Al, так и Ga происходят из столбец III и нижний индекс x относятся к составу двух элементов от 100 процентов Al ( x = 1) до 100 процентов Ga ( x = 0). Чистый кремний является наиболее важным материалом для применения в интегральных схемах, а бинарные и тройные соединения III-V являются наиболее важными для излучения света.

До изобретения биполярного транзистора в 1947 году полупроводники использовались только как двухполюсные устройства, такие как выпрямители и фотодиоды. В начале 1950-х годов германий был основным полупроводниковым материалом. Однако он оказался непригодным для многих применений, поскольку устройства, изготовленные из этого материала, демонстрируют высокие токи утечки только при умеренно повышенных температурах. С начала 1960-х годов кремний стал практическим заменителем, фактически вытеснив германий в качестве материала для производства полупроводников.Для этого есть две основные причины: (1) кремниевые устройства демонстрируют гораздо более низкие токи утечки и (2) высококачественный диоксид кремния (SiO ₂ ), который является изолятором, легко производить. Кремниевая технология в настоящее время является самой передовой среди всех полупроводниковых технологий, а устройства на основе кремния составляют более 95 процентов всего полупроводникового оборудования, продаваемого во всем мире.

Многие сложные полупроводники обладают электрическими и оптическими свойствами, отсутствующими у кремния.Эти полупроводники, особенно арсенид галлия, используются в основном для высокоскоростных и оптоэлектронных приложений.

Свойства электроники

Полупроводниковые материалы, рассматриваемые здесь, представляют собой монокристаллы — , т.е. атомов расположены в трехмерном периодическом порядке. На рис. 2А показано упрощенное двумерное представление кристалла собственного кремния, который очень чистый и содержит пренебрежимо малое количество примесей. Каждый атом кремния в кристалле окружен четырьмя ближайшими соседями.Каждый атом имеет четыре электрона на внешней орбите и делит эти электроны со своими четырьмя соседями. Каждая общая электронная пара представляет собой ковалентную связь. Сила притяжения электронов обоими ядрами удерживает два атома вместе.

При низких температурах электроны связаны в своих соответствующих положениях в кристалле; следовательно, они недоступны для электропроводности. При более высоких температурах тепловая вибрация может разрушить некоторые ковалентные связи. Разрыв связи дает свободный электрон, который может участвовать в проводимости тока.Как только электрон удаляется от ковалентной связи, в этой связи возникает недостаток электронов. Этот недостаток может быть восполнен одним из соседних электронов, что приводит к смещению местоположения недостатка с одного сайта на другой. Таким образом, этот недостаток можно рассматривать как частицу, подобную электрону. Эта фиктивная частица, названная дыркой, несет положительный заряд и движется под действием приложенного электрического поля в направлении, противоположном направлению движения электрона.

Для изолированного атома электроны атома могут иметь только дискретные уровни энергии.Когда большое количество атомов объединяется, чтобы сформировать кристалл, взаимодействие между атомами заставляет дискретные уровни энергии расширяться в энергетические зоны. Когда отсутствует тепловая вибрация (, т. Е. при низкой температуре), электроны в полупроводнике полностью заполняют ряд энергетических зон, оставляя остальные энергетические зоны пустыми. Полоса с самым высоким заполнением называется валентной полосой. Следующая более высокая зона — это зона проводимости, которая отделена от валентной зоны запрещенной зоной.Эта запрещенная зона, также называемая запрещенной зоной, представляет собой область, обозначающую энергии, которыми электроны в полупроводнике не могут обладать. Большинство важных полупроводников имеют ширину запрещенной зоны от 0,25 до 2,5 эВ. Ширина запрещенной зоны кремния, например, составляет 1,12 эВ, а ширина запрещенной зоны арсенида галлия — 1,42 эВ.

Как обсуждалось выше, при конечных температурах тепловые колебания разрывают некоторые связи. Когда связь разрывается, свободный электрон вместе со свободной дыркой дает , то есть : электрон обладает достаточной тепловой энергией, чтобы пересечь запрещенную зону в зону проводимости, оставляя дырку в валентной зоне.Когда к полупроводнику прикладывают электрическое поле, как электроны в зоне проводимости, так и дырки в валентной зоне получают кинетическую энергию и проводят электричество. Электропроводность материала зависит от количества носителей заряда (, т.е. свободных электронов и свободных дырок) в единице объема и от скорости, с которой эти носители перемещаются под действием электрического поля. В собственном полупроводнике существует равное количество свободных электронов и свободных дырок.Однако электроны и дырки обладают разной подвижностью, то есть они движутся с разными скоростями в электрическом поле. Например, для собственного кремния при комнатной температуре подвижность электронов составляет 1500 квадратных сантиметров на вольт-секунду (см ² / В · с) — , т.е. электрон будет двигаться со скоростью 1500 сантиметров в секунду под действием электрического поле в один вольт на сантиметр — при подвижности дырок 500 см ² / В · с. Подвижности данного полупроводника обычно уменьшаются с повышением температуры или с увеличением концентрации примесей.

Электрическая проводимость в собственных полупроводниках довольно низкая при комнатной температуре. Чтобы добиться более высокой проводимости, можно намеренно ввести примеси (обычно до концентрации одной части на миллион атомов хозяина). Это так называемый процесс допинга. Например, когда атом кремния заменяется атомом с пятью внешними электронами, такими как мышьяк (рис. 2C), четыре электрона образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый электрон становится электроном проводимости, который «дарится» зоне проводимости.Кремний становится полупроводником типа n из-за добавления электрона. Атом мышьяка является донором. Точно так же на рисунке 2C показано, что, когда атом с тремя внешними электронами, такими как бор, заменяется атомом кремния, дополнительный электрон «принимается» для образования четырех ковалентных связей вокруг атома бора, и в атоме бора создается положительно заряженная дырка. валентная полоса. Это полупроводник типа p , в котором бор является акцептором.

Дискретные полупроводниковые приборы | Транзисторы — полевые транзисторы, полевые МОП-транзисторы — массивы

DMN32D2LDF-7DICT-ND

DMN32D2LDF-7DIDKR-ND

2

2 1

7308

2

-7DIDKR-ND

ND

BSD840NH6327XTSA1DKR-ND

DMG1026UV-7DICT-ND

DMG1026UV-7DIDKR-ND

Toshiba и Toshiba

SIA931DJ-T1-GE3CT-ND

SIA931DJ-T1-GE3DKR-ND

Полевые транзисторы с переходом Ван-дер-Ваальса с n- и p-канальными дихалькогенидами переходных металлов

На рисунке 1a показано оптическое микроскопическое (OM) изображение нашего p-MoTe ₂ / n- MoS ₂ -канальный JFET-транзистор, изготовленный на SiO ₂ / p-Si пластине толщиной 285 нм.Pt и Au используются в качестве омических электродов истока / стока соответственно для канала MoTe ₂ и MoS ₂ . Как показано на схематическом трехмерном изображении устройства на рис. 1c, шестиугольный канал 2H-MoS ₂ перекрывает 2H-MoTe ₂ , когда два канала пересекают друг друга. Два полупроводниковых TMD одновременно и четко идентифицируются с помощью микро спектроскопии комбинационного рассеяния, как показано на рис. 1b, для которого исследуется центральное пятно перекрывающейся области (см. Красное пятно на рис. 1a). Поскольку материалы p- и n-каналов пересекаются, возможно, сформированы четыре разных PN-диода с использованием Pt- и Au-электрода, и такое поведение диода было подтверждено (см. Вспомогательную информацию на рисунке S1).Кроме того, из той же структуры было подтверждено поведение MISFET p- и n-типа наряду с большим гистерезисом в характеристиках кривой передачи (рисунок S2a).

Характеристики материалов и схематические изображения устройства. a Оптическое микроскопическое (OM) изображение нашего JFET-устройства, изготовленного на SiO ₂ / p-Si пластине толщиной 285 нм. Красные и синие пунктирные линии очерчивают участки чешуек MoS ₂ и MoTe ₂ соответственно. Масштабная линейка = 5 мкм. b Спектры комбинационного рассеяния, полученные из красной точки перекрывающейся области. c Трехмерный схематический вид нашего соединительного устройства MoS ₂ и MoTe ₂ . В принципе, можно сформировать четыре пары PN-диодов с гетеропереходом (вспомогательная информация, рис. S1) d Трехмерные виды в разрезе канала p-MoTe2 (затвор n-MoS2) и канала n-MoS2 (затвор p-MoTe2) Полевые транзисторы

Следуя OM для структуры JFET (рис. 1a и 2a вставка), атомно-силовая микроскопия (AFM; рис. 2a, b) и сканирующая зондовая микроскопия Кельвина (SKPM, рис. 2c) были проведены для зондирования прямоугольной области того же устройства. , который содержит четыре соответствующие поверхности, как показано на рис.2a: подложка SiO ₂ , MoTe ₂ , MoS ₂ и наложение MoS ₂ на MoTe ₂ . По результатам АСМ (контраст изображения) толщина канала MoTe ₂ и MoS ₂ составляет ~ 16 и 6 нм соответственно. Согласно результатам SKPM, работа выхода отдельных MoTe ₂ и MoS ₂ совершенно одинакова и составляет 4,54 эВ, в то время как у оверлея MoS ₂ на MoTe ₂ она немного выше и составляет 4.56 эВ. Немного более высокое значение, вероятно, связано с тем, что MoS ₂ на MoTe ₂ освобожден от воздействия зарядов ловушки на поверхности SiO ₂ ^47,48 , а также из-за некоторого переноса электронного заряда между двумя TMD. Основываясь на данных SKPM, мы могли ожидать и построить диаграммы полос MoTe ₂ / MoS ₂ PN перехода, MoS ₂ n-канала и MoTe ₂ p-канала, как показано на рис. 2d – f , соответственно. PN-переход должен содержать ~ 0.Зазор по ВДВ 3 нм между MoTe ₂ и MoS ₂ . Без смещения затвора канал почти не имеет энергетического барьера, но имеет встроенную потенциальную энергию ( q Φ _i = 0,02 эВ для n-канала). Когда обратное смещение прикладывается к затвору p-типа n-канала, канал MoS ₂ должен иметь энергетический барьер в p-стробируемой (перекрытой) области (рис. 2e), где энергия Ферми оказывается в области середина запрещенной зоны, указывающая на истощение носителей заряда (для выключенного состояния). Точно так же канал MoTe ₂ имеет энергетический барьер в области n-затвора (рис.2е) при обратном смещении на p-канале. Без напряжения смещения стока полосовая диаграмма с барьером должна быть симметричной; однако под смещением стока он должен стать асимметричным.

Диаграмма диапазонов прибора по АСМ и СКПМ. АСМ-изображения a 2D и b 3D структуры JFET. Масштабная линейка = 1 мкм. c Изображение SKPM JFET. Белый пунктир на вставке a указывает область сканирования для AFM и SKPM ( a — c ).Диаграммы энергетических зон d MoTe ₂ / MoS ₂ , e MoS ₂ n-канал и f MoTe ₂ p-канал, соответственно. V _Gn и V _Gp означает смещение затвора, соответственно, приложенное к n- и p-каналам

Как и ожидалось из диаграммы полосы направленности в плоскости (рис. 2e, f), n- Канальный JFET был экспериментально продемонстрирован на рис. 3a – f. На рис. 3а показано ОМ-изображение другого полевого транзистора, которое отличается от изображения на рис.1а, но имеет сопоставимый размер толщины канала: ~ 12 и 7 нм соответственно для каналов MoS ₂ и MoTe ₂ . Выходные характеристики (ток стока – напряжение стока; I _D — В _DS ) устройства на рис. эффект от насыщения до раннего (iii). Эти три стадии хорошо объяснены схематическими поперечными сечениями полевого транзистора под, соответственно, разными V _DS на рис.3c, в то время как каждый материальный компонент устройства обозначен цветом на схематическом трехмерном изображении на фиг. 3b. Поперечное сечение (i) на рис. 3с показывает проводящий канал под малым V _DS для линейного режима I _D . Когда V _DS увеличивается в сторону более положительного напряжения, сторона стока испытывает обратное смещение относительно p-затвора, и происходит асимметричное истощение канала (заштрихованная область), в то время как сторона истока сохраняет прямое смещение и открытие канала.По мере дальнейшего увеличения V _DS n-канал достигает состояния отсечки (ii) и модуляции четной длины канала ( L ) (iii). Такая модуляция длины канала вызывает более короткую длину ( L ′) и повышенный ток (отклонение от насыщения; ранний эффект). Эта модуляция канала была довольно общей в наших устройствах JFET, как это было видно с другого JFET (вспомогательная информация, рисунок S3a). На рисунке 3e показаны передаточные характеристики (ток стока и напряжение затвора; I _D — V _GS ), где хорошее соотношение ВКЛ / ВЫКЛ I _D 5 × 10 ⁴ и SS ~ 100 мВ / дек.Ток утечки затвора ( I _G ), по-видимому, увеличивается с приложенным напряжением затвора ( В _GS ) на рис. 3e, и это, безусловно, понятно как утечка, индуцированная прямым смещением, которая возникает из-за PN перехода между n-MoS ₂ и p-MoTe ₂ .

n-канал p-MoTe ₂ / n-MoS ₂ JFET. — изображение OM n-канального JFET. Масштабная линейка = 10 мкм. b Простая трехмерная схема нашего n-канального JFET. c 2D-виды устройства в поперечном сечении в соответствии с (i) малым, (ii) отсеченным и (iii) большим V _DS в разрезе вместе с белой пунктирной линией в b нашего n- канальное устройство. d I _D — V _DS выходные характеристики n-канального JFET. e I _D — V _GS передаточные характеристики n-канального JFET. f Мобильность нашего n-канального JFET.Красные и оранжевые линии указывают на подвижность при насыщении, а черные звезды указывают на линейную подвижность при различных V _GS (0,2, 0,4, 0,6, 0,8 В соответственно)

Подвижность при насыщении нашего JFET также извлекается из того же рисунка. . Пороговое напряжение и пиковая подвижность насыщения составляют -0,2 В и 500–600 см ² / В · с, соответственно, согласно рис. 3e, f. Подвижность насыщения определялась следующим уравнением. (1), которому нужна информация о концентрации носителей, N _d , и крутизне, g _m , в n-канале MoS ₂ .Мы извлекаем g _m графиков из кривых переноса в зависимости от V _GS на рис. 3e.

$$ g _ {\ mathrm {m}} = \ frac {{dl _ {\ mathrm {D}}}} {{dV _ {{\ mathrm {GS}}}}} = \ frac {{qN _ {\ mathrm {d}} \ mu tW}} {L} $$

(1)

Таким образом, мобильность можно рассчитать следующим образом:

$$ \ mu = \ frac {{Lg _ {\ mathrm {m}}}} {{qN _ {\ mathrm {d}} tW}} $$

(2)

, где N _d — плотность носителей в количестве на см ³ ; q — электронный заряд; и t , W и L — толщина, ширина и длина канала соответственно.Линейная подвижность также может быть извлечена из выходных характеристик в различных V _GS на рис. 3d, используя следующее простое уравнение. (3) малый V _DS .

$$ \ mu = \ frac {{Lg _ {\ mathrm {d}}}} {{qN _ {\ mathrm {d}} tW}}, \ quad \ quad \ left ({g _ {\ mathrm {d}) } = \ frac {{dI _ {\ mathrm {D}}}} {{dV _ {{\ mathrm {DS}}}}}} \ right) $$

(3)

Максимальная линейная подвижность оказывается вполне сопоставимой с таковой в режиме насыщения.

Для оценок насыщенности и линейной подвижности наиболее важной информацией будет значение N _d . Чтобы получить значение N _d при комнатной температуре, мы фактически провели четырехточечные измерения Ван-дер-Пау-Холла с контактирующим с Au MoS ₂ толщиной 16 нм и MoTe толщиной 7 нм, контактирующим с Pt. ₂ . На рис. 4а, б показаны два ОМ-изображения наших образцов на подложке SiO ₂ / p-Si, при этом каждая толщина образцов была измерена с помощью АСМ-сканирования, как показано с результатами на рис.4c. Хотя формы образцов не были идеально симметричными на рис. 4a, b, образцы MoTe ₂ и MoS ₂ показали положительный и отрицательный наклон, соответственно, в магнитном поле ( H ) развертка для относительного магнитного сопротивления [ R _H ( H ) — R _H (0)] по сравнению с полевым графиком H на фиг. 4d. Эти наклоны четко идентифицируют или различают проводимость p- и n-типа. Согласно наклону, концентрации дырок и электронов ( N _a и N _d ) были рассчитаны как 2.43 × 10 ¹⁷ и 2,5 × 10 ¹⁶ / см ³ при 300 K соответственно. Детали расчета находятся в разделе вспомогательной информации.

Измерение Холла MoS ₂ и MoTe ₂ . ОМ-изображение a n-MoS ₂ и b p-MoTe ₂ для четырехзондового измерения Холла. c Профили толщины чешуек MoS ₂ (красный) и MoTe ₂ (синий), полученные в результате сканирования АСМ, и d R _H ( H ) — R _H (0) данные в магнитном поле ( H ) для MoS ₂ (верхний отрицательный наклон) и MoTe ₂ (положительный наклон).Масштабная линейка a , b = 10 мкм

Все наши полевые транзисторы демонстрируют лишь небольшой гистерезис в отличие от MISFET (рисунок S2a) из-за ловушек малой плотности заряда на границе PN-перехода vdW. Графики подвижности на рис. 3f и кривые передачи на рис. S2b демонстрируют небольшой гистерезис 0,05–0,1 В независимо от того, является ли устройство полевым транзистором с n- или p-каналом (который фактически представляет собой одно устройство, работающее с обоими каналами). На рисунке 5a показан наш третий полевой транзистор с р-каналом, и на самом деле этот полевой транзистор имеет аналогичную толщину канала ~ 10 нм, что сравнимо с толщиной канала полевого транзистора с n-каналом на рис.3а. Характеристики выходной кривой на рис. 5d показывают три режима I _D : линейный (i), отсечка (ii) и насыщение (iii). На первый взгляд, выходные кривые p-канала I _D сопоставимы с кривыми n-канала на рис. 3d; однако при детальном наблюдении обнаруживается, что стадия отсечки медленнее в р-канале MoTe ₂ ; напряжения насыщения ( В _SAT = -1,5 В для В _GS = -1 В) p-канала больше, чем у MoS ₂ n-канала ( V _SAT = ~ 0.8 В для В _GS = 1 В). Это связано с плотностью дырочных носителей p-канала, которая на порядок больше, чем у n-канала; истощение заряда p-канала сложнее при том же V _GD ( V _GS — V _DS ), чем n-канале. На рис. 5b, c представлены схематические трехмерные изображения и виды в разрезе полевого транзистора с р-каналом. Как показано на рис. 5c, при положительном затворе V _GD MoS ₂ (обратное смещение) истощается быстрее, чем p-канал MoTe ₂ , которому требуется дополнительное V _DS для достижения отщипнуть.На рис. 5e наш p-канальный JFET показывает на порядок меньшее значение I _D , чем у n-канального, наряду с более низкими SS (200 мВ / дек) и ВКЛ / ВЫКЛ I _D отношение (5 × 10 ³ ) к таковым у n-канального устройства. Сложное истощение или закрытие каналов может быть тесно связано с такими недостатками. Согласно рис. 5f, насыщение (13–14 см ² / В · с как пиковая подвижность) и линейные подвижности (4 см ² / В · с) полевого транзистора с р-каналом кажутся сопоставимыми с предыдущими отчетами. из p-MoTe ₂ MISFET ²⁵ , но намного уступает значениям из MoS ₂ JFET.Примесное рассеяние из-за на порядок более высокой концентрации носителей в p-канале могло бы быть основной причиной низкой подвижности наряду с собственной зонной структурой MoTe ₂ . ^49,50 Кроме того, мы также могли заподозрить множество ловушек на интерфейсе MoTe ₂ канал / SiO ₂ как еще одну причину такой низкой мобильности в отношении геометрии устройства.

p-канал p-MoTe ₂ / n-MoS ₂ JFET. — изображение OM p-канального JFET.Масштабная линейка = 10 мкм. b Простая трехмерная схема нашего p-канального JFET. c Двумерные виды устройства в поперечном сечении в соответствии с (i) малым, (ii) отсеченным и (iii) большим V _DS в разрезе вместе с белой пунктирной линией в b нашего p- канальное устройство. d I _D — V _DS выходные характеристики p-канального JFET. e I _D — V _GS передаточные характеристики p-канального JFET. f Мобильность нашего p-канального JFET. Голубые и голубые линии указывают на подвижность насыщения, а черные звезды указывают на линейную подвижность при различных V _GS (−0,2, −0,4, −0,6, −0,8 В соответственно)

В качестве нашего последнего устройства p-WSe ₂ / n-MoS ₂ JFET был изготовлен с целью подтвердить, что любой p-TMD / n-TMD JFET обычно работает в принципе; p-TMD работает как шлюз для канала n-TMD, а n-TMD — как шлюз для канала p-TMD. На рис. 6a, b, соответственно, показаны OM и схематический трехмерный вид JFET, где Au-контакт использовался совместно для полевых транзисторов с каналом p-WSe ₂ и n-MoS ₂ .На рис. 6c показаны спектры комбинационного рассеяния от обеих чешуек, полученные одновременно путем зондирования наложенного положения (красная точка на рис. 6a). Согласно характеристикам выходной кривой на рис. 6d, p- и n-канальные полевые транзисторы снова работают нормально, хотя контактное сопротивление между Au и p-WSe ₂ кажется серьезным. Из-за такого недостатка контактного сопротивления p-WSe ₂ JFET показывает свои худшие характеристики I — V с несколькими нА в состоянии ВКЛ, а низкая проводимость p-канала WSe ₂ приводит к его недостаточной стробирование для n-MoS ₂ JFET.Следовательно, n-MoS ₂ JFET в системе p-WSe ₂ / n-MoS ₂ показывает на порядок более низкое состояние включения I _D , чем у p-MoTe ₂ / n- MoS _{2 Корпус JFET} , как видно на выходных и передаточных характеристиках рис. 6d, e. Однако эта демонстрация устройства p-WSe ₂ / n-MoS ₂ JFET по-прежнему поддерживает то, что любой p-TMD / n-TMD JFET в принципе работает с использованием обоих каналов. (На рисунке S4 показан профиль толщины AFM чешуек p-WSe ₂ и n-MoS ₂ в JFET.)

p-WSe ₂ / n-MoS ₂ JFET. a OM изображение p-WSe ₂ / n-MoS ₂ JFET на SiO ₂ / p-Si. Масштабная линейка = 10 мкм. b Трехмерное схематическое сечение полевого транзистора p-WSe ₂ и n-MoS ₂ . В качестве контактного металла для обоих каналов использовалось золото. c Рамановские спектры WSe ₂ и MoS ₂ , полученные путем зондирования красного пятна в a . d I _D — V _DS выходные характеристики p-WSe ₂ и n-MoS ₂ канальный JFET. e I _D — V _GS передаточные характеристики p-WSe ₂ и n-MoS ₂ канал JFET

Таким образом, мы изготовили полевые транзисторы vdW как ток в плоскости устройство с гетеропереходом между полупроводниковым p-MoTe ₂ и n-MoS ₂ TMD. Поскольку этот vdW JFET будет иметь ловушки с низкой плотностью на интерфейсе vdW, когда материал p-типа играет роль затвора для n-канала и наоборот, небольшой гистерезис равен 0.05–0,1 В и хорошее SS ~ 100 мВ / дек. Легкое насыщение было замечено как еще одно преимущество перед 2D MISFET, демонстрирующее раннее отсечение при ~ 1 В. Рабочее напряжение затвора для порога было около 0 В, а максимальная подвижность достигает ~> 500 см ² / В · с для n- канал JFET с MoS _{2 канал} , в то время как p-канальный JFET с MoTe ₂ оказывается намного ниже более чем на порядок (~ 13 см ² / В · с). Для работы полевого транзистора с напряжением 1 В максимальное значение тока включения / выключения составило ~ 10 ⁴ .Работа обоих канальных полевых транзисторов с ультратонкими 2D-транзисторами vdW считается уникальной и отличается от обычных 3D-полевых полевых транзисторов и полевых многопозиционных транзисторов (MISFET) в том принципе, что два противоположных (p- и n-) канала могут использоваться в качестве затвора друг для друга. Мы снова подтвердили принцип с помощью другого полевого транзистора p-TMD / n-TMD (p-WSe ₂ / n-MoS ₂ ). Таким образом, мы делаем вывод, что наш 2D-подобный ультратонкий канальный JFET-транзистор является достаточно свежим по принципу работы, структуре и простоте изготовления, чтобы повлиять на будущее 2D-наноэлектроники на основе полупроводников.

N-канальный полевой транзистор режима расширения

% PDF-1.4 % 1 0 объект > эндобдж 5 0 obj / Title (NDS7002A — N-канальный полевой транзистор в режиме улучшения) >> эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > эндобдж 4 0 obj > транслировать BroadVision, Inc.2021-08-05T11: 09: 32-07: 002021-07-21T14: 42: 45-07: 002021-08-05T11: 09: 32-07: 00application / pdf

Графеновые полевые транзисторы для биологических и химических датчиков

GFET, в которых используется материал канала 2D, имеют ряд преимуществ по сравнению с объемными полупроводниковыми приборами (включая кремний).Для большинства полупроводниковых транзисторных датчиков локальные изменения электрического поля на поверхности канала мало влияют на глубину канала устройства, ограничивая чувствительность отклика. С GFET канал графена имеет толщину всего в один атом, что означает, что весь канал находится на поверхности и напрямую подвергается воздействию окружающей среды. Любая молекула, прикрепленная к поверхности канала, влияет на перенос электронов через всю глубину устройства. Кремний или другие объемные полупроводники, близкие к атомарной толщине, неэффективны, потому что при такой толщине поверхностные дефекты доминируют над характеристиками материала.Двумерные материалы, такие как графен, не имеют оборванных связей на поверхности, которые могли бы образовывать дефекты. В результате графен обладает высокой проводимостью и чувствителен к поверхностным воздействиям. Кроме того, поскольку материал не имеет оборванных связей, он устраняет неспецифическое связывание и, следовательно, ложные срабатывания, что было проблемой с другими датчиками на основе полевых транзисторов. При правильной функционализации GFET-транзисторы обеспечивают высокочувствительное, высокоселективное, прямое обнаружение целевых аналитов без этикеток с полностью электронным управлением и считыванием устройств.

Датчики с полевыми транзисторами на основе графена имеют явные преимущества при изготовлении по сравнению с устройствами, изготовленными из одномерных материалов, таких как углеродные нанотрубки (УНТ) и нанопроволоки. Подобно графену, одностенные УНТ также обладают высокой проводимостью (с правильной хиральностью) и практически имеют всю поверхность. Графен может быть получен в виде однородных пленок с однородными характеристиками материала. В настоящее время нельзя изготавливать одномерные материалы с такой же консистенцией. Кроме того, массивы высокопроизводительных устройств с однородным откликом невозможно создать с использованием случайно распределенных нанопроволок или нанотрубок, поскольку количество и ориентация одномерных объектов варьируются в зависимости от распределения.Эта неоднородность положения, часто усугубляемая неоднородностью размеров между одномерными объектами, создает большой разброс характеристик отклика между устройствами. 2D-материалы обеспечивают согласованность между устройствами. Кроме того, однородные графеновые пленки размером с пластину могут быть сформированы путем химического осаждения из газовой фазы, и эти пленки можно использовать для фотолитографических технологий изготовления, разработанных для процессов изготовления интегральных схем, разработанных в полупроводниковой промышленности.

Производство GFET

изготавливаются на кремниевых пластинах, чтобы воспользоваться преимуществами традиционных, недорогих и высоконадежных процессов литографии, осаждения и интеграции, применяемых в промышленности интегральных схем. Для этих устройств графеновые пленки формировались методом химического осаждения из паровой фазы при атмосферном давлении. ⁸ Подложку для осаждения медной фольги загружали в печь и нагревали до 1000 ° C в восстановительной среде аргон / водород для удаления любого естественного оксида с поверхности меди.В газовый поток был добавлен небольшой поток метана. Образование графена начинается с нескольких мест зарождения, за которыми следует рост кристаллов графена с одним атомным слоем до тех пор, пока домены не встретятся, полностью покрывая поверхность меди. Метан разрушается на поверхности меди, и адсорбированные атомы углерода перемещаются по поверхности, пока не встретятся с кристаллами графена и не присоединятся к ним. Сплошной однослойный графен (SLG) был сформирован после короткого времени роста от 5 до 30 минут, в основном в зависимости от соотношения газовых потоков.

Металлические электроды были нанесены на кремниевую пластину термическим испарением и литографически сформированы. Тонкий слой титана или хрома необходим для адгезии к поверхности SiO ₂ . Золото или палладий обеспечивают электронный контакт с графеном. Пленка графена переносилась с подложки для осаждения меди и накладывалась на пластину после формирования электродов. Для выполнения переноса полиметилметакрилат (PMMA, Prod. No. 182230, 445746 и 182265) был нанесен методом центрифугирования на графеновую поверхность медной подложки.Медь была отделена от ПММА / графена механическим разделением с помощью водного электролиза. Пленку графена помещали на поверхность пластины, пластину запекали для обеспечения адгезии графена к пластине и электродам, а ПММА удаляли ацетоном. Дополнительная фотолитография использовалась для формирования рисунка графена в каналы полевого транзистора между электродами, а кислородная плазма была эффективна при удалении незащищенного графена. Минимизация металлических примесей в графеновых пленках имеет решающее значение для интеграции в производственные мощности IC.Для этого необходимо избегать процессов травления медной подложки.

Функционализация GFET

За последние несколько лет был разработан ряд хорошо контролируемых процедур химической функционализации, совместимых с GFET. Графеновые полевые транзисторы были оснащены белками, химическими соединениями и молекулами ДНК для создания сенсоров для различных приложений.

В случае функционализации белка неспецифическое связывание белка нежелательно, поскольку обычно подразумевает потерю контроля над функциональной структурой белка. ⁹ A.T. Группа Чарли Джонсона из Пенсильванского университета продемонстрировала различные химические соединения, подходящие для использования в графеновых устройствах. Они могут быть основаны на соединениях диазония, которые образуют ковалентную связь с поверхностью графена ¹⁰ , или на бифункциональных соединениях пирена, которые взаимодействуют с графеном посредством π – π-стэкинг-взаимодействия. ^10,11 Связывание с белком может осуществляться через амидную связь, которая разрешена в подходящих аминогруппах на внешней стороне белка ¹¹ , или через связь Ni-нитрилотриуксусной кислоты с гистидиновой меткой на рекомбинантном белке. ¹² В каждом случае контроль параметров химии насадки (например, концентрация, температура, время) позволяет выполнять функционализацию, сохраняя при этом высококачественные свойства графенового устройства, которые способствуют высокой чувствительности (в частности, высокая подвижность несущей и хорошие шумовые характеристики).

Применения в биосенсорах и химических датчиках

и высокое отношение поверхности к объему делают его особенно подходящим для таких приложений, как биосенсоры, датчики газа ^13,14 , ^15,16 и высокопроизводительные транзисторы. ^17–19 Устройства на основе графена могут позволить использовать быстрые высокочувствительные датчики для диагностики в местах оказания медицинской помощи и обнаружения химических веществ и могут заменить другие методологии, которые отличаются высокой стоимостью, низкой чувствительностью и трудоемкостью.

A.T. Группа Чарли Джонсона продемонстрировала датчик GFET для обнаружения небольших молекул при концентрациях пг / мл. ¹⁴ GFET были функционализированы с помощью рассчитанного с помощью вычислений водорастворимого варианта человеческого μ-опиоидного рецептора (рецептор, связанный с G-белком) с использованием тетрафторбората 4-карбоксибензолдиазония, который продуцировал участки карбоновой кислоты на графене, которые в дальнейшем активировались и стабилизировались с помощью Гидрохлорид 1-этил-3- [3-диметиламинопропил] карбодиимида ( Prod.№ 03449 и Прод. No. E7750) / сульфо-N-гидроксисукцинимид (EDC / sNHS). ²⁰ Электронные измерения тока исток-сток в зависимости от напряжения на затворе после каждого этапа процедуры функционализации показали воспроизводимые сдвиги в проводимости. Об обнаружении налтрексона-мишени для μ-опиоидного рецептора (антагонист опиоидных рецепторов, Prod. № 1453504) сообщалось при концентрациях всего 10 пг / мл с высокой специфичностью14. В исследованиях вместо этого использовался сконструированный одноцепочечный вариабельный фрагмент (scFv). полных антител в качестве рецепторных молекул на других датчиках FET на основе углерода показали увеличение предела обнаружения в 1000 раз. ²¹ scFv представляет собой сконструированный гибридный белок, содержащий вариабельные области антитела, которые специфичны к антигену и сохраняют специфичность исходного антитела, несмотря на удаление константных областей, составляющих большую часть антитела. Повышенная чувствительность датчиков полевых транзисторов, функционализированных с помощью scFv, может быть объяснена более близкой близостью связанной мишени биомаркера к каналу GFET, что приводит к более сильным электростатическим взаимодействиям и большему электрическому сигналу. ²¹

Химическое зондирование паров, или «носовое» зондирование паров, — еще одно приложение, в котором используются полевые транзисторы. Для этого GFET были функционализированы одноцепочечной ДНК для обнаружения различных химических паров. Химические сенсоры на основе GFET показали быстрое время отклика, быстрое восстановление до исходного уровня при комнатной температуре и различение между несколькими аналогичными анализируемыми парами паров: например, диметилметилфосфонатом (DMMP, Prod. No. D169102) и пропионовой кислотой ( Prod. No. 402907). ¹⁶

Выводы и перспективы на будущее

Исключительные электронные свойства графена по-прежнему остаются многообещающими для приложений зондирования. Датчики на основе GFET для биологических и химических приложений обеспечат быстрое, чувствительное, специфическое, недорогое и полностью электронное считывание. Кроме того, датчики GFET могут быть мультиплексированы, что позволяет быстро тестировать несколько целей (от десятков до тысяч) с высокой чувствительностью на одном чипе небольшого размера.