基于石墨烯的场效应管概念

场效应管(FET)是一种具有pn结的正向受控作用的有源器件，它是利用电场效应来控制输出电流的大小，其输入端pn一般工作于反偏状态或绝缘状态，输入电阻很高，栅极处于绝缘状态的场效应管，输入阻抗很大。目前广泛应用的是SiO2为绝缘层的绝缘栅场效应管，称为金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOSFET。以功能类型划分，MOSFET分为增强型和耗尽型两种，其中耗尽型与增强型主要区别是在制造SiO2绝缘层中有大量的正离子，使在P型衬底的界面上感应出较多的负电荷，即在两个N型区中间的P型硅内形成一层N型硅薄层而形成一个导电沟道，所以在VGS＝0时，有VDS作用时也有一定的ID(IDSS)；当VGS有电压时(可以是正电压或负电压)，改变感应的负电荷数量，从而改变ID的大小。VP为ID＝0时的-VGS，称为夹断电压。

MOSFET的特点是用栅极电压来控制漏极电流。随着微电子集成化的需要越来越高，FET器件的尺寸也越来越小，而普通FET器件散热性受材料本身限制很难有进一步的提高，石墨烯由于其优良的热导率制作出的FET器件"完美"的解决该问题。

自从场效应管发明以来，人们一直尝试将电场效应应用到金属材料上，制造金属基场效应管。利用金属制造晶体管不仅可以将尺度做小，而且可以降低功耗，并且使用频率高于传统半导体.但是由于金属屏蔽效应，电场在金属中的穿透深度小于 1nm，因此制造金属晶体管时需要使用原子级厚度的金属薄膜。但是由于热动力学原因，当金属薄膜达到纳米级别时不能稳定存在。另外，对于金属而言，电场效应诱导的载流子浓度一般不会超过 1013cm-2，比纳米尺度的金属薄膜中的本征载流子浓度低几个量级（近似可以忽略），通过电场效应很难实现调制载流子浓度，因此利用金属制造晶体管一直没有实现。

半金属 Graphene不仅具有高载流子浓度和载流子迁移率，亚微米尺度的弹道输运特性和电场调制载流子特性，而且可以在室温下稳定存在，为 Graphene的实用化奠定了基础。利用 Graphene制造的晶体管可以实现低功耗、高频率、小型化等特性。由于 Graphene是半金属性材料 （semi- metal），在狄拉克点处能带交叠，没有带隙，因此很难实现开关特性。为了使 Graphene可以应用于晶体管的制造，通过各种方法在 Graphene中形成带隙：

（1）通过对称性破缺场或相互作用等使Graphene简并度降低，朗道能级发生劈裂，在导带与价带之间引入能隙。这方面工作目前主要集中在双层Graphene上，通过掺杂、外加电场以及基底作用诱导等方式引入对称破缺，实现人工调制能隙。

（2）对于弱无序体系，被弱屏蔽的库仑相互作用可以改变带粒子图景，使 Graphene出现能隙 （量子霍尔铁磁）。

（3）通过尺寸效应或量子受限 （如Graphene nanoribbons）引入能隙。Barone等人通过密度泛函计算预言，对于手性纳米带，导带与价带间的带隙随着手性角的变化发生振荡。对于某些类型的Graphene纳米带，通过调节纳米带宽，也可以实现对带隙宽度的调节 （能隙与纳米带宽之间存在反比关系）。

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