[发明专利]一种基于碳纳米管场效应晶体管的倍频器

说明书

发明领域

本发明属于纳电子学技术领域，涉及碳纳米管的场效应晶体管，特别涉及基于碳纳米管的场效应晶体管的倍频器。

背景技术

以碳材料为基的纳米电子学，尤其是碳纳米管(Carbon Nanotube)为基的纳米电子学，被认为具有极大的应用前景，尤其是在射频(RF)应用领域(Rutherglen，C.et al.Nature Nanotechnology，2009，4，811-819.)。自从1991年碳纳米管被人们成功制备出来以来(Iijima，S.Nature，1991，354，56-58.)，碳基的电子学取得了巨大的进展。基于碳纳米管的电子学因其尺寸小、速度快、功耗低、工艺简单等特点受到人们越来越广泛的关注。一般来说，碳纳米管可以基于其禁带宽度被分为三类，一是大禁带宽度的碳纳米管(指能实现100倍以上的场效应开关电流比的半导体型单壁碳纳米管)，二是没有禁带宽度的碳纳米管(包括金属型的单壁碳纳米管或多壁碳纳米管)，三是小禁带宽度的碳纳米管(可以是单壁碳纳米管或者具有半导体外壳的多壁碳纳米管，能实现1-100倍场效应开关电流比)。基于半导体型碳纳米管的场效应晶体管的性能已经被人们推向了极致，并且最终得到了完美对称的互补金属-氧化物-半导体(CMOS)反相器(Zhang，Z.Y.et al.ACS Nano，2009，3，3781-3187.)。而金属型的碳纳米管也被证实很适合用来实现场效应晶体管之间的互联，并且具有极高的高频响应(Close，G.F.et al.Nano Letters，2008，8，706-709.)。而小禁带宽度的碳纳米管却一直没有得到广泛的应用。

倍频器(Frequency Multiplier)是使输出信号频率等于输入信号频率整数倍的电路。现有的倍频器有晶体管倍频器、变容二极管倍频器、阶跃恢复二极管倍频器等。现有的倍频器，其电路复杂，需要很多后续的信号处理电路，如整流电路、滤波电路等，且转换效率不是很高，而且工作在极高频(10GHz以上)的倍频器其价格也十分昂贵。

发明内容

本发明的目的在于扩展小禁带宽度碳纳米管的应用范围，采用基于小禁带宽度碳纳米管的场效应晶体管通过简单的架构实现高性能的倍频器。

小禁带宽度的碳纳米管可以提供良好的双极性特性，既可以通过电子导电也可以通过空穴导电。以小禁带宽度碳纳米管为导电通道制备的场效应晶体管的典型结构包括位于导电通道两端的源端(即源电极)和漏端(即漏电极)，以及位于源漏之间的栅极(即栅电极)，所述栅极与导电通道之间为绝缘层，该场效应晶体管的转移特性曲线I_ds-V_gs(漏端采用电压偏置的情况)和V_ds-V_gs(漏端采用电流偏置的情况)分别如图1和图2所示，可以看出该场效应晶体管可以表现出良好的对称的双极性，这样的性能很适合用来做倍频器。

以小禁带宽度碳纳米管为基制作的场效应晶体管作为器件的核心，可以简单的实现高性能的倍频器。本发明的倍频器包括一场效应晶体管、一输入端偏置直流源和一输出端偏置直流源，其中：所述场效应晶体管以小禁带宽度碳纳米管为导电通道，源端和漏端分别位于导电通道的两端，栅极位于源漏之间，栅极与作为导电通道的碳纳米管之间为绝缘层；栅极为倍频器的输入端，源端接地，漏端为倍频器的输出端；输入端偏置直流源将输入到输入端的交流信号偏置到所述场效应晶体管的直流转移特性的电阻最大点；而输出端偏置直流源连接输出端，给场效应晶体管提供一个工作电源。

输入端偏置直流源连接输入信号源，输入的交流信号被输入端偏置直流源偏置到所述场效应晶体管的直流转移特性的电阻最大点(即直流电流最低点，也就是晶体管的工作中心点)再输入到输入端。而在输出端偏置直流源的驱动下，输出端才可以采集到输出信号(对于碳纳米管双极性倍频器来说，输出端的直流偏置越大越好，但是也要考虑到器件的电流承受能力而在将其限制在一个合适的范围内，否则会造成器件的永久失效)。