MIT:单一石墨烯晶体管倍频器打破高频应用极限

美国麻省理工学院科研人员最近展示了一款由单一石墨烯晶体管打造的倍频器。麻省理工学院科研人员表示，通过采用石墨烯晶体管可以利用相对简单的架构来实现复杂的新型电路。

石墨烯晶体管的电子迁移率和空穴迁移率相等。因此石墨烯晶体管即可以像硅晶体管一样传送电子也可以像 GaAs晶体管一样传送空穴，从而使得石墨烯场效应晶体管即可以用作N型场效应晶体管也可以用作P型场效应晶体管。

“我们所研发的新器件采用了专利’双极传送’石墨烯，”麻省理工学院教授Tomas Palacios表示。 “若采用传统的半导体材料，通常必须从两个不同的载流子中选择：电子“负极性粒子”或空穴“阳极性粒子”。

“因石墨烯材料能够实现双极传送，你根本不需要考虑载流子的问题—-若采用石墨烯材料，你只需要改变加在石墨层上的电压就可以得到电子或空穴 ”。 “我们所研发的倍频器通过利用石墨烯材料的这一属性将输入信号的频率提高了两倍”。

该倍频器由一个石墨晶体管和一个电阻器组成。 “传统倍频器要用到一个过滤器来过滤杂波以得到所需要的输出信号，而该倍频器要比传统电路简单很多”， Palacios表示。 “并且其工作频率将比传统器件高出很多。”

美国麻省理工学院所展示的结合了硅和砷化镓晶体管性能的单一晶体管倍频器

该倍频器的基本结构是一个配置有上拉电阻的单一共源石墨烯晶体管。主要区别在于石墨烯晶体管的偏置电压。与仅传送电子的硅晶体管和仅传送空穴的砷化镓晶体管不同，石墨烯晶体管的栅极是允许电子通过还是允许空穴通过取决于输入信号是正还是负。

Palacios指出，“不论载流子是电子还是空穴，电流总是以同一个方向流经上拉电阻，从而实现倍频” 。

为了实现倍频，当交流输入信号由零变成正时，会有一个电子型电流流经漏极；当输入信号为负时，则产生空穴型电流。在上述两种情况下，输出电压最初始时为零，然后随着AC输入电压的变化在峰值和最低点之间变化，从而将信号频率提升了一倍。

理论论证演示尚有待进一步优化以用于高频率的应用，但研究人员称，石墨烯晶体管的高电子迁移率是硅晶体管的100倍以上—-应该可以将倍频器的级联经将输出信号放大两倍，应用频率范围也许可以达到太赫兹。

石墨烯由单晶格碳原子组成，其电子迁移率比硅和砷化镓都要高，但是石墨烯片更难制作。美国麻省理工学院研究人员正在不断研制专利石墨烯片，但到目前为止仅展出了小片。他们的目标是研制出完整的石墨烯晶圆。

“为了将其商业化，需要有足够大的石墨烯晶圆来架构这些器件，”Palacios表示，“我们最近已在这一领域取得了一定进展，通过利用硅衬底采用化学气相沉积法（将碳化硅衬底在真空条件下加热至1000多度，除去硅而余下的碳通过自组形式形成单层石墨膜）可得到大面积石墨薄片。

据Palacios估计，可能需要两年时间才能推出针对以石墨烯为基础的电路的晶圆制程。