基于器件物理的射频石墨烯场效应管集约模型研究

As a novel nano-electronic device, graphene field effect transistors (GFETs) have a brilliant future on RF area. Different with the hot research on GFET's fabrication and material description, work about its operation mechanism is rar, and compact model, which can be directly used on circuit design is still unseen...In this proposal, we will give a phsical explanation about GFETs' quasi ballistic transmit under the high-frequency and big-signal situation at the first. Then, analytical solution of GFETs' character will be deduced and RF compact model will be established. Finally, using this compact model, limits of GFETs' performance will be predicted and RF application circuits will be designed...The innovation of this proposal can be drawn as follow,..One is that, different with easy phenomena description, we give a phsical explanation about GFETs'operation mechanism under the high-frequency and big-signal situation. Through the study of carrier-photon interaction under big-signal situation and short channel effect caused by contact resistor and charge trap on interface under high-frequency situation, clarify the physical relation between GFETs' performance and its scale.. The other is that establish RF GFET compact model, which is suit for circuit design. Unlike traditional drift-diffuse method of Si devices, construct quantum-mechanical analysis flow based on channel potential. Different with DC model, setup RF compact model to reflect GFETs' performance under high-frequency and big-signal situation. The compact model is compatiable with SPICE and ADS, and can be usede on circuit design.

石墨烯场效应管（GFET）作为新型纳米电子器件在射频领域有广泛的应用前景。其制备和材料物性分析已火热展开，但对器件的工作机理及可用于电路设计的集约模型的研究尚十分缺乏。.本项目拟从器件物理出发，对射频条件下GFET大信号准弹道工作机理做出理论研究；给出GFET特征参量的解析表达，建立射频集约模型；运用模型预测GFET性能，指导GFET应用电路设计。.创新之处表现为：.①区别于现有的唯象描述，对GFET射频工作机理做出理论解释。通过对大信号条件下的载流子-声子相互作用、高频条件下接触电阻和界面电荷陷阱带来的短沟效应的研究，明晰器件性能与器件尺度间的物理关系。.② 建立面向电路设计的射频GFET集约模型。不同于硅基器件的飘移扩散理论，以沟道势为核心参量建立量子解析流程；区别于现有的直流模型，建立射频集约模型，有效反映器件高频、大信号下的工作特性；模型与SPICE和ADS兼容，可指导电路设计。

本课题按照研究计划分析了石墨烯场效应器件在高频下的工作原理、建立了面向电路设计的石墨烯场效应器件集约模型、优化设计了器件结构与其射频应用电路。此外，为更好地理解石墨烯场效应器件的工作机理，扩展探讨了石墨烯纳米器件结构与性能之间的关系；针对实验报道石墨烯场效应管测试数据较少的困难，展开了对神经网络器件建模方法的研究；为丰富对石墨烯场效应器件频率特性的研究，增加了对器件噪声性能的分析。.通过研究，总结了缺陷对石墨烯能带结构的影响，进而拓展到缺陷对石墨烯场效应器件性能的影响；裁剪石墨烯的形状，设计了十字型结构和网孔型结构，发现十字结构能产生微分负阻，而网孔结构可灵活的调节石墨烯的能带；对石墨烯场效应器件实现了基于Verilog-A语言的集约模型，模型可适用于主流电路设计与分析平台；在此基础上引入机器学习的建模思路，对碳纳米管和石墨烯场效应管实现了BP神经网络以及知识基神经网络的电路级模型建模；在基本集约模型的基础上，探讨了噪声对器件性能的影响并进行了建模；对以石墨烯为代表的新型碳基场效应器件的结构进行了优化设计，给出了势垒控制、沟道形状、长度、栅形控制等器件结构参数的优化策略；利用得到的集约模型，设计了混频器等典型射频电路，分析了石墨烯场效应管射频电路的性能；利用得到的微分负阻特性设计了电流型三值全加器电路，探索了石墨烯器件在多值逻辑领域的应用空间。此外，在此基金的部分资助下，还研究了基于机器学习的伪造指纹识别、光电场效应晶体管在高温测温计中的应用、硬件友好的图像压缩算法、以及数字逻辑电路中数据位宽对设计效率的影响。.在本课题的支持下，发表了27篇研究论文（包括1篇已接收论文）。国际刊物17篇，国内核心刊物9篇，国内一般刊物1篇。其中SCI已收录10篇，EI已收录16篇，ISTP已收录6篇。参加国际会议4次，参加全国性会议1次。申请发明专利3项。培养在读博士生2人，毕业硕士生2人，在读硕士生3人。.项目经费按照规范使用。.项目达到了预期目标，超额完成预期研究成果任务。.基于本项目研究的体会，建议今后可进一步关注纳米尺度下各种新结构与新器件的设计以及相应的电路级模型的构建。