MIT:單一石墨烯晶體管倍頻器打破高頻應用極限

美國麻省理工學院科研人員最近展示了一款由單一石墨烯晶體管打造的倍頻器。麻省理工學院科研人員表示，通過采用石墨烯晶體管可以利用相對簡單的架構來實現複雜的新型電路。

石墨烯晶體管的電子遷移率和空穴遷移率相等。因此石墨烯晶體管即可以像矽晶體管一樣傳送電子也可以像 GaAs晶體管一樣傳送空穴，從而使得石墨烯場效應晶體管即可以用作N型場效應晶體管也可以用作P型場效應晶體管。

“我們所研發的新器件采用了專利’雙極傳送’石墨烯，”麻省理工學院教授Tomas Palacios表示。 “若采用傳統的半導體材料，通常必須從兩個不同的載流子中選擇：電子“負極性粒子”或空穴“陽極性粒子”。

“因石墨烯材料能夠實現雙極傳送，你根本不需要考慮載流子的問題—-若采用石墨烯材料，你隻需要改變加在石墨層上的電壓就可以得到電子或空穴 ”。 “我們所研發的倍頻器通過利用石墨烯材料的這一屬性將輸入信號的頻率提高了兩倍”。

該倍頻器由一個石墨晶體管和一個電阻器組成。 “傳統倍頻器要用到一個過濾器來過濾雜波以得到所需要的輸出信號，而該倍頻器要比傳統電路簡單很多”， Palacios表示。 “並且其工作頻率將比傳統器件高出很多。”

美國麻省理工學院所展示的結合了矽和砷化镓晶體管性能的單一晶體管倍頻器

該倍頻器的基本結構是一個配置有上拉電阻的單一共源石墨烯晶體管。主要區別在於石墨烯晶體管的偏置電壓。與僅傳送電子的矽晶體管和僅傳送空穴的砷化镓晶體管不同，石墨烯晶體管的柵極是允許電子通過還是允許空穴通過取決於輸入信號是正還是負。

Palacios指出，“不論載流子是電子還是空穴，電流總是以同一個方向流經上拉電阻，從而實現倍頻” 。

為了實現倍頻，當交流輸入信號由零變成正時，會有一個電子型電流流經漏極；當輸入信號為負時，則產生空穴型電流。在上述兩種情況下，輸出電壓最初始時為零，然後隨著AC輸入電壓的變化在峰值和最低點之間變化，從而將信號頻率提升了一倍。

理論論證演示尚有待進一步優化以用於高頻率的應用，但研究人員稱，石墨烯晶體管的高電子遷移率是矽晶體管的100倍以上—-應該可以將倍頻器的級聯經將輸出信號放大兩倍，應用頻率範圍也許可以達到太赫茲。

石墨烯由單晶格碳原子組成，其電子遷移率比矽和砷化镓都要高，但是石墨烯片更難製作。美國麻省理工學院研究人員正在不斷研製專利石墨烯片，但到目前為止僅展出了小片。他們的目標是研製出完整的石墨烯晶圓。

“為了將其商業化，需要有足夠大的石墨烯晶圓來架構這些器件，”Palacios表示，“我們最近已在這一領域取得了一定進展，通過利用矽襯底采用化學氣相沉積法（將碳化矽襯底在真空條件下加熱至1000多度，除去矽而餘下的碳通過自組形式形成單層石墨膜）可得到大麵積石墨薄片。

據Palacios估計，可能需要兩年時間才能推出針對以石墨烯為基礎的電路的晶圓製程。