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用于频率倍增的可重构铁电场效应晶体管

作者:威尼斯人app    更新时间:2020-11-04 00:46

  倍频器是可以产生多个频率信号的电路,是许多技术工具(尤其是无线通信系统)的基本组件。然而,大多数现有的乘法器都是使用庞大的滤波和放大电路构建的,并迅速消耗大量功率。

  德国NaMLab的研究人员最近设计了一种铁电场效应晶体管,该晶体管既可以用作全波整流器,也可以用作倍频器。他们开发的设备发表在《自然电子》上的一篇论文中,该设备完全可重新配置且具有高能效,因为它可以隔离使用,而无需任何其他电路。

  进行这项研究的研究人员之一Halid Mulaosmanovic对TechXplore表示:“自2007年发现该材料的铁电特性以来,我们的研究机构(NaMLab)一直在研究铁电氧化ha(HfO2)。”“可以使用这种材料制造的一种有吸引力的电子设备是铁电场效应晶体管(FeFET),它类似于传统的逻辑晶体管,但在栅极叠层中具有铁电层。”

  HfO2可以在两个稳定的晶体结构之间可逆地快速切换。这种独特的特性使FeFET的开发成为可能,它们既可以用作非易失性存储器,又可以用作神经形态器件。NaMLab的研究人员已经与GLOBALFOUNDRIES(一家位于德累斯顿的制造高质量FeFET的公司)合作,研究了基于HfO2的FeFET的这两种应用。

  作为研究的一部分,Mulaosmanovic及其同事研究了在其栅极堆叠中具有不同铁电结构的FeFET的响应。有趣的是,他们注意到当遵循一组特定的制造和电参数时,这些晶体管的电流-电压(IV)特性变得越来越对称,呈抛物线形状。

  这种特殊的泄漏电流被称为栅极感应的漏极泄漏(GIDL),进一步增强了这种对称性。有趣的是,GIDL电流也可以在经典晶体管中找到,但是在这种情况下,它们是不希望的,并且会阻碍晶体管的性能。

  “值得注意的是,我们发现只有器件的铁电特性才能实现高度的IV对称性,这可能是迄今为止在常规(非铁电)晶体管中还没有观察到这种现象的原因,” Mulaosmanovic说。“这种惊人的对称性引发了倍频的想法,因为这样的抛物线IV曲线自然会促进倍频现象。”

  Mulaosmanovic和他的同事进行的这项研究从以前的研究频率倍增的研究中汲取了灵感。例如,在1980年代,研究人员预测谐振隧道二极管的IV曲线中的对称性可能对倍频有很多好处。后来证明是正确的预测。过去,出于类似的目的,一些研究小组还设计了具有对称双极性IV曲线的石墨烯FET。

  “通过仔细调整FeFET中的开关铁电畴的数量,并同时在适当的器件偏置下实现足够水平的GIDL电流,可以获得高度对称的IV特性,其与抛物线的特性非常相似,” Mulaosmanovic解释说。“随后,当将具有特定输入频率的正弦信号施加到这种设备时,输出电流将是输入频率的两倍。这是因为抛物线在输入信号的正向和负向摆动时总是给出正输出。”

  Mulaosmanovic和他的同事在最近的论文中提出了一种具有倍频特性的设备,该设备无需额外的滤波电路即可工作,而传统的乘法器则需要额外的滤波电路。由于缺少这些电路,因此该器件比现有的乘法器更紧凑,并且功耗更低,这使其成为众多实际应用的理想选择。

  新型FeFET依靠场效应来完成写入和读取操作,这使其速度非常快,并降低了功耗。另外,基于HfO2的晶体管在电气上可重新配置,这意味着它既可以充当倍频器又可以充当发射机。

  “我们设计的设计策略是完全可重构的,从某种意义上来说,您可以通过对FeFET进行电编程来​​激活倍增特性或将其关闭,即通过将其铁电转换为另一种晶态来关闭它,” Mulaosmanovic说。“这种可重新配置性提供了附加价值和出色的设计灵活性。”

  研究人员创建的基于HfO2的FeFET具有很高的可扩展性,研究人员表明它可以缩小到沟道长度的20nm。它还与CMOS兼容,因此可以使用现有的工业流程轻松制造。

  Mulaosmanovic说:“我们的FeFET可以与经典逻辑晶体管集成在一起,这对于在单个芯片上构建基于FeFET的射频电路非常有用。”“我们的工作还提供了一个示例,说明如何将诸如GIDL之类的有害设备属性转化为优势。实际上,设备工程师和电路设计人员通常倾向于避免使用GIDL,但是我们能够在GIDL中加以利用。非常有用的方式。”

  将来,由Mulaosmanovic和他的同事开发的设备可以代替更常规的倍频器,从而提高无线通信系统和射频电路的功率效率。到目前为止,由于与实验设置和非最佳器件集成相关的限制,研究人员只能使用其FeFET将1MHz范围内的频率加倍。但是,在接下来的研究中,他们将探索扩展此频率范围的方式。

  “我们现在计划进一步研究不同的集成可能性:例如,不同的半导体通道材料可以大大提高频率范围(例如,应变硅或锗)以及更先进的集成方案,例如FinFET或绝缘体上硅(SOI)技术可能是更好的选择,” Mulaosmanovic说。“我们还计划改善输出信号的频谱纯度,其中一种方法可能是进一步调整该器件的铁电性能。还有很多改进的余地,但是FeFET是非常有前途的器件,我们希望会有更多的进步。为这个令人兴奋的应用程序。”

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