「石墨烯革命」系列文章：第五部分

在一篇名為」選擇石墨烯基晶體管的柵介質「的論文中，討論了半導體形式石墨烯的應用。正如我們之前所了解的，單層石墨烯並非一種半導體，它是一種零帶隙導體（半金屬）。人們正嘗試向石墨烯中引入帶隙，這將使它變得半導電，室溫遷移率將比硅高一個數量級。人們現在正積極思考在攻克剩餘技術難題之後，如何應用這類材料。半導體石墨烯的應用之一是設計下一代快速切換金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。

什麼是 MOSFET？

MOSFET 的基本思路是施加柵極電壓來控制漏源電阻，進而控制漏電流（見下圖）。在某個柵源電壓 (VGS)以及較低的漏源電壓 (VDS) 下，漏電流幾乎線性依賴於 VDS。VDS 增加時，漏電流將達到飽和。飽和程度依賴於柵源電壓，切換時間取決於半導體的遷移率。半導體材料的遷移率越高，接通及斷開電流越快。

半導體物理學

半導體物理學極其複雜。嚴格來講，Boltzmann 方程應與 Maxwell 方程一起求解，以完整描述設備的物理。由於這很難計算，所以最常見的半導體模擬方法是求解一組耦合到泊松方程的漂移擴散方程：

這裡，n 是電子數密度、p 是空穴數密度，V 是靜電勢、Rn 是電子複合率、Rp 是空穴複合率、Jn 是電子電流，Jp 是空穴電流。對此方程組的求解支持您構建半導體器件的電壓-電流特徵。半導體方程高度非線性，需要特殊的數值方法來求解。

我們全新的半導體模塊

正如我們最近所宣布的，COMSOL 平台新近增加了專業的半導體模擬產品，即半導體模塊，它可以幫助用戶從基礎物理水平層面對半導體器件進行詳細分析。

該模塊基於包含等溫或非等溫傳遞模型的漂移-擴散方程，同時提供了兩種數值方法：結合 Scharfetter Gummel 迎風方法的有限體積法，以及結合 Galerkin 最小二乘穩定的有限元方法。半導體模塊提供了一個易於使用的介面來分析和設計半導體器件，極大簡化了 COMSOL平台上的器件模擬工作。

半導體模塊還提供了多個半導體和絕緣材料模型，同時還以專業特徵的形式提供了歐姆接觸、Schottky 接觸、柵極等邊界條件。模塊還增強了對靜電的模擬功能。通過具有 SPICE 導入功能的電路介面，可進行系統級別和器件混合的模擬。

半導體模塊對於模擬各類實際器件非常有幫助。內置案例庫包括一系列模型，它們被設計用於提供直觀的指導，並演示如何使用該介面來模擬您自己的器件。半導體模塊對於模擬雙極型晶體管、金屬半導體場效應晶體管 (MESFETs)、金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFETs)、肖特基二極體，晶閘管，以及 P-N 結非常有幫助。

因此，對於本博客開篇論文中提到的石墨烯基半導體類似的器件，可使用半導體模塊分析其器件特徵。

石墨烯系列結束語…

過去幾個月中，我們發布了四篇石墨烯系列博客，介紹了它的歷史、應用，以及製造。我非常榮幸能談論這個話題，不過這裡我僅講到了問題表面，還有許多子課題尚未涉及，因此我建議您繼續關注各類技術雜誌和出版物，了解石墨烯的最新研發進展。不論您是否對石墨烯的應用或製造感興趣，COMSOL 中提供的各類產品都可以幫助您更加深入地理解這些工藝。

擴展閱讀

• 石墨烯革命：第一部分
• 石墨烯革命：第二部分
• 石墨烯革命：第三部分
• 石墨烯革命：第四部分
• 有關石墨烯新產品的文章合集

經授權轉載自 http://cn.comsol.com/blogs/，原作者 Daniel Smith。

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