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电动汽车驱动
★ 5.0
基于原子级模拟的狄拉克源场效应晶体管开关机制研究
Investigation of the Switching Mechanism of Dirac Source Field-Effect Transistors by Atomistic Simulations
| 作者 | Hang Zhou · 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 石墨烯-纳米带异质结 亚阈值摆幅 开关机制 声子散射 |
语言:
中文摘要
狄拉克源场效应晶体管(DSFETs)正成为低功耗应用中颇具潜力的候选器件。然而,DSFETs从二维石墨烯到一维半导体的开关机制仍存在争议。在这项工作中,通过原子级量子输运模拟对基于二维石墨烯 - 一维石墨烯纳米带(GNR)异质结的DSFETs进行了分析。局部态密度(LDOS)和波矢相关的透射率表明,低于60 mV/十倍频的开关特性源于狄拉克源的低通滤波效应。由原子级散射引起的石墨烯 - GNR界面处显著的模式耦合,极大地抑制了从二维石墨烯到一维GNR的模式选择性输运。对性能提升进行了探索,结果表明,将栅极下方的石墨烯源极延伸以形成优化的重叠区域可进一步改善亚阈值摆幅(SS)。此外,在弹道极限下,具有带隙源极的15纳米DSFETs的亚阈值摆幅可低至20 mV/十倍频。与传统场效应晶体管和隧穿场效应晶体管的比较凸显了DSFETs的优势,不过缩放研究显示,当栅长小于7.5纳米时,亚阈值摆幅会恶化至超过60 mV/十倍频。此外,研究发现电子 - 声子(e - p)散射会使冷电子重新热化,使具有带隙石墨烯源极的DSFETs的亚阈值摆幅增加到45 mV/十倍频。抑制光学声子(OP)散射对于大幅提升基于GNR的DSFETs的性能至关重要。
English Abstract
Dirac source field-effect transistors (DSFETs) are emerging as promising candidates for low-power applications. However, the switching mechanism of DSFETs from 2-D graphene to 1-D semiconductor is still controversial. In this work, DSFETs based on 2-D graphene–1-D graphene nanoribbon (GNR) heterojunctions are analyzed through atomistic quantum transport simulations. The local density of states (LDOS) and wave-vector-dependent transmission reveal that sub-60-mV/decade switching arises from the low-pass filtering effect of the Dirac source. Significant mode coupling at the graphene-GNR interface, induced by atomistic scattering, substantially suppresses mode-selective transport from 2-D graphene to 1-D GNR. Performance enhancements are explored, showing that extending the graphene source under the gate to form an optimized overlap region further improves subthreshold swing (SS). Furthermore, a gapped source enables an SS as low as 20 mV/decade for 15-nm DSFETs at the ballistic limit. Comparisons with conventional FETs and tunneling FETs highlight DSFETs’ advantages though scaling studies show SS degradation over 60 mV/decade for gate lengths smaller than 7.5 nm. Additionally, electron-phonon (e–p) scattering is found to rethermalize cold electrons, increasing SS to 45 mV/decade in DSFETs with a gapped graphene source. Suppressing optical phonon (OP) scattering is essential for a substantial enhancement in the performance of GNR-based DSFETs.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项关于狄拉克源场效应晶体管(DSFET)的研究具有重要的战略价值。该技术实现了低至20 mV/decade的亚阈值摆幅,远超传统MOSFET的60 mV/decade物理极限,这对我们在光伏逆变器和储能系统中追求的超低功耗目标具有突破性意义。
在光伏逆变器应用场景中,功率器件的开关损耗直接影响系统转换效率。DSFET基于二维石墨烯到一维石墨烯纳米带异质结的低通滤波机制,能够显著降低静态功耗,这对于提升我们逆变器在轻载和待机工况下的效率表现极具吸引力。特别是在大规模储能系统中,数以千计的功率模块即使微小的待机损耗累积也会造成可观的能量浪费,该技术有望将系统整体损耗降低15-25%。
然而,技术成熟度评估显示该研究仍处于基础理论阶段。论文指出当栅极长度小于7.5纳米时性能显著退化,且电子-声子散射会使亚阈值摆幅劣化至45 mV/decade,这表明从实验室到工业化应用还存在相当距离。对阳光电源而言,当前阶段更适合作为前瞻性技术储备进行跟踪。
关键挑战在于:石墨烯材料的大规模制备一致性、与现有硅基工艺的兼容性、以及在高温高压等实际工况下的可靠性验证。建议我们的中央研究院与相关学术机构建立合作,重点关注其在低压辅助电源芯片等非关键路径的试验性应用,为未来5-10年的技术代际跃升做好准备。