Инженеры из Университета Райса и Калифорнийского университета в Риверсайде (США) создали графеновый однотранзисторный усилитель.

Однотранзисторный усилитель, простейшая составляющая аналоговых цепей, строится на базе транзистора и резистора и может работать в режиме с общим истоком, общим стоком и общим затвором. Разные режимы дают разные характеристики, определяемые коэффициентом усиления по напряжению при малом уровне сигнала (ΔV_вых/ΔV_вх). При использовании обычных кремниевых МОП-транзисторов каждому режиму соответствует своя схема включения: расположение резистора, точка подачи V_вх и съёма V_вых.

Графен позволяет конструировать «гибкие» усилители, поскольку регулировкой напряжения смещения здесь можно добиться изменения типа проводимости.

Эту возможность обеспечивает характерная V-образная вольт-амперная характеристика транзистора», — замечает один участников исследования, Александр Баландин.

Рис. 1. V-образная зависимость тока ICИ от напряжения VЗИ для графенового транзистора с отмеченными чёрными точками значениями напряжения смещения, которые соответствуют разным режимам работы усилителя (см. ниже). С — сток, И — исток, З — затвор. Справа — изображение транзистора, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. (Иллюстрация из журнала ACS Nano).

рафеновые транзисторы авторы создавали на легированной кремниевой подложке, которая служила нижним затвором и покрывалась слоем SiO2. Ширина канала транзисторов составляла 2, а длина — 9 мкм. Подвижность носителей заряда при комнатной температуре находилась в диапазоне 3 000–4 000 см2•В-1•с-1.

Полученные устройства включались в показанную на рисунке ниже схему с R = 20 кОм и напряжением питания V = 1 В. Характеристику ΔVвых/ΔVвх в данном случае можно переписать в виде Δ(V – IСИ•R)/ΔVвх.

Режим работы устанавливался изменением напряжения смещения Vсм. Если его значение приходилось на левую часть V-образной кривой, усилитель работал в режиме с общим стоком, а переход в правую часть соответствовал режиму с общим истоком. Подача Vсм, отвечающего минимуму тока на графике, переводила схему в режим умножителя частоты.

В ближайшем будущем учёные начнут эксперименты с транзисторами с верхним затвором, которые должны давать большее усиление при малом уровне сигнала. Сейчас этот коэффициент во всех трёх режимах составляет лишь 0,01–0,02.

Рис. 2. Схема включения графенового транзистора (иллюстрация из журнала ACS Nano).

Полная версия отчёта опубликована в журнале ACS Nano.

По материалам: