pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2020-11-4-298-304pimi-683Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsВыходные характеристики графеновых полевых транзисторовOutput Characteristics of Graphene Field Effect TransistorsМищенкоВ. Н.MishchenkaV. N.

Адрес для переписки: В.Н. Мищенко – Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, П. Бровки, 6, г. Минск 220013, Беларусь e-mail: mishchenko@bsuir.by

Address for correspondence: V.N. Mishchenka – Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics, P. Brovka str., 6, Minsk 220013, Belarus 

. e-mail: mishchenko@bsuir.by

mishchenko@bsuir.byБелорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиБеларусьBelarusian State University of Informatics and RadioelectronicsBelarus202017122020114298304Copyright © Мищенко В.Н., 20202020Мищенко В.Н.Mishchenka V.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/683

Использование графена, который обладает высокой подвижностью носителей заряда, высокой теплопроводностью и рядом других положительных свойств, является перспективным для создания новых полупроводниковых приборов с хорошими выходными характеристиками. Целью работы являлось моделирование выходных характеристик полевых транзисторов, содержащих графен, с использованием метода Монте-Карло и решения уравнения Пуассона.

Рассмотрены две конструкции полупроводниковых структур, в которых одиночный слой (или монослой) графена располагается на подложке, сформированной из материала карбид кремния типа 6Н-SiC. Особенностью первой из них является то, что контактные области стока и истока полностью располагались на слое графена, длина которого вдоль продольной координаты равнялась длине подложки. Конструкция второй структуры отличалась от первой конструкции тем, что длина слоя графена была укорочена и области стока и истока частично располагались на слое графена, а частично на подложке.

Путём моделирования получены основные выходные характеристики полевых транзисторов, построенных на основе двух рассмотренных полупроводниковых структур. Моделирование выполнялось с использованием метода статистического моделирования – метода Монте-Карло. Для выполнения моделирования был разработан вычислительный алгоритм, составлена и отлажена программа численного моделирования методом Монте-Карло в трёхмерном пространстве с использованием уравнения Пуассона.

Результаты выполненных исследований показывают, что разработка полевых транзисторов с использованием слоёв графена может улучшить выходные характеристики – увеличить выходной ток и крутизну, а также повысить предельную частоту работы полупроводниковых структур в высокочастотных диапазонах.

The use of graphene, which has high mobility of charge carriers, high thermal conductivity and a number of other positive properties, is promising for the creation of new semiconductor devices with good output characteristics. The aim was to simulate the output characteristics of field effect transistors containing graphene using the Monte-Carlo method and the Poisson equation.

Two semiconductor structures in which a single layer (or monolayer) of graphene is placed on a substrate formed from 6H-SiC silicon carbide material are considered. The peculiarity of the first of them is that the contact areas of drain and source were completely located on the graphene layer, the length of which along the longitudinal coordinate was equal to the length of the substrate. The second structure differed in that the length of the graphene layer was shortened and the drain and source areas were partly located on the graphene layer and partly on the substrate.

The main output characteristics of field-effect transistors based on the two semiconductor structures considered were obtained by modeling. The modeling was performed using the statistical Monte Carlo method. To perform the simulation, a computational algorithm was developed and a program of numerical simulation using the Monte-Carlo method in three-dimensional space using the Poisson equation was compiled and debugged.

The results of the studies show that the development of field-effect transistors using graphene layers can improve the output characteristics – to increase the output current and transconductance, as well as the limit frequency of semiconductor structures in high frequency ranges.

полевые транзисторыграфенметод Монте-Карловыходные характеристикиfield transistorsgrapheneMonte-Carlo methodoutput characteristicsReferencesMoon J.S., Curtis D., Bui S., Hu M., Gaskill D.K., Tedesco J.L., Asbeek P., Jernigan G.G., VanMil B.L., Myers-Ward R.L., Eddy C.R., Campbell P.M., Weng X. Top-Gated Epitaxial FETs on SiC-Face SiC Wafers with a Peak Transconductance of 600 mS/mm. IEEE Electron Device Letters, 2010, vol. 31, no. 4, pp. 260−262. DOI: 10.1109/LED.2010.2040132Moon J.S., Curtis D., Bui S., Hu M., Gaskill D.K., Tedesco J.L., Asbeek P., Jernigan G.G., VanMil B.L., Myers-Ward R.L., Eddy C.R., Campbell P.M., Weng X. Top-Gated Epitaxial FETs on SiC-Face SiC Wafers with a Peak Transconductance of 600 mS/mm. IEEE Electron Device Letters, 2010, vol. 31, no. 4, pp. 260−262. DOI: 10.1109/LED.2010.2040132Moon J.S., Curtis D., Hu M., Wong D., McGuire C., Campbell P.M., Jernigan G.G., Tedesco J.L., VanMil B., Myers-Ward R.L., Eddy C., Gaskill D.K. Epitaxial-Graphene RF Field-Effect Transistors on SiFace 6H-SiC Substrates. IEEE Electron Device Letters, 2009, vol. 30, iss. 6, pp. 650−652.Moon J.S., Curtis D., Hu M., Wong D., McGuire C., Campbell P.M., Jernigan G.G., Tedesco J.L., VanMil B., Myers-Ward R.L., Eddy C., Gaskill D.K. Epitaxial-Graphene RF Field-Effect Transistors on SiFace 6H-SiC Substrates. IEEE Electron Device Letters, 2009, vol. 30, iss. 6, pp. 650−652.Svintsov D.A, Vyurkov V., Lukichev V.F., Orlikovsky A.A, Burenkov A., Ohsner R. Tunnel'nye polevye tranzistory na osnove grafena. [Tunneling field effect transistors based on graphene]. Fizika i tekhnika poluprovodnikov [Physics and Technology of Semiconductors], 2013, vol. 47, iss. 2, pp. 224−250. DOI: 10.1103/PhysRevB.82.115452Svintsov D.A, Vyurkov V., Lukichev V.F., Orlikovsky A.A, Burenkov A., Ohsner R. Tunnel'nye polevye tranzistory na osnove grafena. [Tunneling field effect transistors based on graphene]. Fizika i tekhnika poluprovodnikov [Physics and Technology of Semiconductors], 2013, vol. 47, iss. 2, pp. 224−250. DOI: 10.1103/PhysRevB.82.115452Pennington G., Goldsman N. Self-consistent calculations for n-type hexagonal SiC inversion layers. J. Appl. Phys., 2004, vol. 95, no. 8, pp. 5496−5508. DOI: 10.1063/1.1687977Pennington G., Goldsman N. Self-consistent calculations for n-type hexagonal SiC inversion layers. J. Appl. Phys., 2004, vol. 95, no. 8, pp. 5496−5508. DOI: 10.1063/1.1687977Persson C., Lindefelt U. Dependence of energy gaps and effective masses on atomic positions in hexagonal SiC. J. Appl. Phys., 1997, vol. 86, no. 11, pp. 5036−5039. DOI: 10.1063/1.371475Persson C., Lindefelt U. Dependence of energy gaps and effective masses on atomic positions in hexagonal SiC. J. Appl. Phys., 1997, vol. 86, no. 11, pp. 5036−5039. DOI: 10.1063/1.371475Vasileska D., Stephen M. Goodnick, Gerhard Klimeck. Computational electronics: semiclassical and quantum device modeling and simulation. CRC PressTaylor and Francis Group, 2010.Vasileska D., Stephen M. Goodnick, Gerhard Klimeck. Computational electronics: semiclassical and quantum device modeling and simulation. CRC PressTaylor and Francis Group, 2010.Damien Querlioz, Philippe Dollfus. The Wigner Monte Carlo method for nanoelectronics devices: a particle description of quantum transport and decoherence. – ISTE Ltd and John Wiley@Sons, Inc. – 2010.Damien Querlioz, Philippe Dollfus. The Wigner Monte Carlo method for nanoelectronics devices: a particle description of quantum transport and decoherence. – ISTE Ltd and John Wiley@Sons, Inc. – 2010.Chauhan Jyotsna, Guo Jing. High-field transport and velocity saturation in graphene. Appl. Phys. Letters., 2009, vol. 95, p. 023120. DOI: 10.1063/1.3182740Chauhan Jyotsna, Guo Jing. High-field transport and velocity saturation in graphene. Appl. Phys. Letters., 2009, vol. 95, p. 023120. DOI: 10.1063/1.3182740Fang Tian, Konar Aniruddha, Xing Huili, Jena Debdeep. High-field transport in two-dimensional graphene. Physical Review., 2011, vol. B 84, p.125450. DOI: 10.1103/PhysRevD.84.125450Fang Tian, Konar Aniruddha, Xing Huili, Jena Debdeep. High-field transport in two-dimensional graphene. Physical Review., 2011, vol. B 84, p.125450. DOI: 10.1103/PhysRevD.84.125450Murav’ev V.V., Mishchenka V.N. Modeling of electron transfer processes in a silicon carbide semiconductor structure. Doklady BGUIR, 2017, vol. 104, no. 2, pp. 53−57.Murav’ev V.V., Mishchenka V.N. Modeling of electron transfer processes in a silicon carbide semiconductor structure. Doklady BGUIR, 2017, vol. 104, no. 2, pp. 53−57.Murav’ev V.V., Mishchenka V.N. Simulation of the scattering rates in the monolayer graphene. Doklady BGUIR, 2017, vol. 108, no. 8, pp. 128−129.Murav’ev V.V., Mishchenka V.N. Simulation of the scattering rates in the monolayer graphene. Doklady BGUIR, 2017, vol. 108, no. 8, pp. 128−129.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.