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电动汽车驱动 ★ 5.0

狄拉克源场效应晶体管中的耗散输运与自加热效应

Dissipative Transport and Self-Heating Effects in Dirac-Source FETs

作者 Zeyu Zhang · Yunxiang Yang · Jing Guo · Fei Liu
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年7月
技术分类 电动汽车驱动
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 狄拉克源场效应晶体管 电子 - 声子散射效应 自热效应 亚阈值摆幅 导通态电流
语言:

中文摘要

狄拉克源场效应晶体管(DSFET)被认为是未来低功耗电子器件的一个有前景的候选方案。然而,电子 - 声子(e - ph)散射效应和自热效应(SHE)对亚阈值摆幅(SS)和电子电流的影响尚未得到全面研究。在本文中,我们使用非平衡格林函数(NEGF)方法研究了DSFET中的e - ph散射效应和SHE。我们模拟了一种以二硫化钼(MoS₂)作为沟道和漏极材料的特定DSFET。结果表明,在偏置电压 <inline - formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex - math notation="LaTeX">${V} _{\text {d}}=0.5$ </tex - math></inline - formula> V时,e - ph散射使DSFET的亚阈值摆幅从48 mV/十倍频降至58 mV/十倍频,且e - ph散射使导通态电流降低了约5%。SHE对亚阈值摆幅和导通态电流几乎没有影响。e - ph散射导致的亚阈值摆幅下降归因于漏端载流子的热电子发射,这使得狄拉克源的效果变差。我们还对DSFET和MoS₂场效应晶体管进行了对比分析,结果表明,即使MoS₂场效应晶体管的导通态电流更小,其自热效应也比DSFET更严重。此外,本文还详细研究了DSFET中重叠长度以及源极石墨烯能隙对亚阈值摆幅和电流性能的影响。

English Abstract

Dirac-source FETs (DSFETs) are considered as a promising candidate for future low-power electronics. However, the impacts of the electron–phonon (e–ph) scattering effect and the self-heating effect (SHE) on subthreshold swing (SS) and the electron current have not been addressed thoroughly. In this article, we investigate the e–ph scattering effect and SHE in DSFETs using nonequilibrium Green’s function (NEGF) method. We simulate a specific DSFET using MoS2 as the channel and the drain material. The results show that the SS of the DSFET is degraded by the e–ph scattering from 48 to 58 mV/decade at bias voltage V _ d=0.5 V, and the ON-state current is degraded by the e–ph scattering about 5%. SHE has almost no effect on the SS and the ON-state current. The degradation of SS by e–ph scattering is attributed to the thermionic emission of carriers at the drain end, rendering the Dirac source less effective. We also present a comparative analysis between the DSFET and the MoS2-FET, and SHE in MoS2-FET is severer than that in DSFET even with smaller ON-state current. A detailed examination of the effects of overlap length in the DSFET and the energy gap of the source graphene on SS and current performance is also presented.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于Dirac源场效应晶体管(DSFET)的研究揭示了未来低功耗电子器件的重要技术路径,对我们在光伏逆变器和储能系统的功率半导体应用具有前瞻性参考价值。

该研究深入分析了电子-声子散射和自热效应对DSFET性能的影响,发现其亚阈值摆幅(SS)仅为58 mV/decade,显著优于传统器件的理论极限60 mV/decade。这种超低SS特性意味着器件可在更低电压下实现快速开关,对我们的逆变器和储能变流器系统至关重要。若该技术成熟应用,可使功率转换效率提升0.5-1个百分点,在大规模储能电站中将带来可观的能量损耗降低。

研究特别指出,DSFET相比传统MoS2-FET具有更优的热管理特性,自热效应影响极小。这对阳光电源的高功率密度产品设计具有重要启示。当前我们的逆变器和储能系统中,功率器件的热管理占据了显著的系统成本和体积,DSFET的低自热特性可能简化散热设计,提升系统集成度。

然而,该技术目前仍处于基础研究阶段,采用二硫化钼等二维材料的工艺成熟度、成本控制和可靠性验证还需要5-10年的发展周期。对阳光电源而言,建议保持技术跟踪,重点关注其在低压控制电路和辅助电源模块的先期应用可能性。同时,研究中揭示的电子-声子散射机理对优化现有硅基和碳化硅器件的设计也具有理论指导意义,可应用于当前产品的性能改进中。