Модель Ландауэра--Датты--Лундстрома Для Терагерцового Транзисторного Усилителя На Основе Графена

Abstract

Рассмотрен транзистор в виде трех электродов, соединенных нанолентами графена или металлическими квантовыми нитями (нанопроволоками), работающий по принципу управления током путем изменения напряжения на центральном электроде (затворе). Рассмотрение проведено в рамках модели Ландауэра-Датты-Лундстрома в приближении равновесности на электродах и задания на них потенциалов. Получены линейные модели, рассмотрены нелинейные слагаемые в определении тока, рассчитаны нелинейные вольт-амперные характеристики графеновых нанолент. DOI: 10.21883/JTF.2017.08.44728.2164 Введение Графен в силу высокой подвижности носителей, боль-шой их скорости (порядка 10 6 m/s) в областях около точек Дирака, хорошей теплопроводности, двумерности структуры и высокой прочности является весьма пер-спективным материалом для наноэлектроники, особенно для терагерцовых транзисторов [1][2][3][4][5][6]. Однако в силу отсутствия энергетической щели у листа графена и из-за весьма малой возможной щели (порядка 0.1−0.2 eV) в нанолентах графена, включая двуслойные ленты (щель растет с уменьшением ширины), а также из-за невоз-можности существенного увеличения щели при воздей-ствии обычно используемых в наноэлектронике внешних полей возникли проблемы при создании быстродейству-ющих (с высокой частотой переключения) нанотранзи-сторов на графене, особенно для широких лент порядка 20 nm и более [4][5][6][7][8]. Поскольку в транзисторах на гра-фене конструктивно используют наноленты, модуляция их проводимости может быть весьма высокой [6][7][8]. Проблеме увеличения ширины щели на графеновых структурах посвящено большое число работ, поскольку для цифровой техники необходимы транзисторы с низ-ким током закрытого состояния (высоким отношением токов открытого и закрытого состояний). Однако для целей обработки, усиления и генерации сигналов это не принципиально. В частности, принципиально возможен одноэлектронный транзистор с квантовой точкой, рабо-тающий по принципу кулоновской блокады [3]. В литера-туре рассматривались возможности создания как быстро переключаемых транзисторов, так и транзисторов для усиления аналоговых сигналов [5]. В последнее время были предложены туннельные транзисторы на основе графена [8], а также транзисторы на графене с отрица-тельным сопротивлением [9]. Рассмотрены и генераторы на графене с накачкой [10].Для целей усиления и генерации достаточно иметь устройства с импедансом, управляемым напряжением (с зависимостью тока от управляемого напряжения), имеющие малое время пролета носителей и желательно по возможности малый управляющий ток по сравне-нию с управляемым током. Для терагерцовой наноэлек-троники более перспективны планарные устройства с баллистическим или смешанным режимами работы, что требует использования нанолент (полосок) с двумерным электронным газом (ДЭГ). Реально такая структура есть одномерная квантовая нить, поскольку длина свободного пробега (ДСП) λ в графене при комнатной темпе-ратуре порядка µm, т. е. обычно существенно больше ширины ленты. Наиболее перспективно использовать однослойные и многослойные графеновые наноле...