石墨烯场效应管射频、光电器件与电路研究

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石墨烯场效应器件是一种新兴的射频与光电子器件。自2004年第一只石墨烯场效应管(GFET)被制成以来,性能新奇的石墨烯场效应器件取得了蓬勃的发展,并为柔性电子注入了活力。然而由于缺少带隙,目前石墨烯场效应器件存在着难以实现强电流饱和特性、难以提供中等功率输出等不足,这严重限制了石墨烯场效应器件集成电路的发展。针对这些问题,本文设计了GFET电流源电路、石墨烯场效应隧穿器件(GTFET)振荡器电路;并结合GFET的光电特性,设计了GFET光电混频电路。  GFET电流源电路采用双顶栅双反馈设计,用常规器件结构和常规器件尺寸的GFET即可在相当大的端口电压范围提供强饱和电流特性,并且该饱和电流可以由电路参数调节,因此可以作为模拟或柔性电路的压控电流源。  GTFET振荡器利用石墨烯谐振隧穿器件强微分负阻特性,当器件偏置在最佳负阻位置时,可以与电感电容并联网络谐振并在毫米波-太赫兹频段提供交流功率输出。本文分析了GTFET振荡电路的等效电路和GTFET器件模型,并通过结合等效电路和器件模型以及振荡器的实际工作情况,推导得出了最高振荡频率、最大输出功率以及振荡频率与输出功率之间的关系。这些特性可以勾勒出GTFET振荡器的大致性能,可以为设计电路提供参考。  GFET光电混频器结合了GFET的光响应特性和非线性。本文给出了两种GFET光电混频电路,并通过理论分析和实验测试,验证了两种GFET光电混频电路的功能,在50Ω系统中,两种GFET光电混频电路的变频损耗分别为24dB和35dB。GFET光电混频电路可以简化光载微波系统,并为毫米波-太赫兹系统提供新的电路单元。  本文试图通过设计带有石墨烯场效应器件自身特色的电路结构,以“量身定做”的方法,实现比传统CMOS或BJT电路更优秀,更丰富的功能。这一思路或许能够为未来设计石墨烯场效应器件集成电路提供参考。
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