[论文解读] Negative differential resistances with back gate-controlled lowest operation windows in graphene double barrier resonant tunneling diodes

Yu Song, Han‐Chun Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2012

Graphene research and applications参考文献 34被引用 29

一句话总结

本文提出一种背栅可调、近乎无结构依赖的最低负微分电阻（NDR）工作窗口的石墨烯双势垒共振隧穿二极管（DB RTD）。通过利用双极性输运和可调带隙，NDR窗口被锁定在费米能级附近，并可通过背栅实现精确调控，从而实现带隙增大时峰值电流与谷值电流比（PVR）的指数级增强。

ABSTRACT

We theoretically investigate negative differential resistance (NDR) of massless and massive Dirac Fermions in double barrier resonant tunneling diodes based on sufficiently short and wide graphene strips. The current-voltage characteristics calculated in a rotated pseudospin space show that, the NDR feature only presents with appropriate structural parameters for the massless case and the peak-to-valley current ratio can be enhanced exponentially by a tunable band gap. Remarkably, the lowest NDR operation window is nearly structure-free and can be almost solely controlled by a back gate, which may have potential applications in NDR devices with the operation window as a crucial parameter.

研究动机与目标

• 研究具有无质量与有质量狄拉克费米子的石墨烯双势垒共振隧穿二极管（DB RTD）中的负微分电阻（NDR）特性。
• 确定结构参数与带隙工程在实现和增强NDR特性中的作用。
• 探索通过外部背栅电压对最低NDR工作窗口（OW）的调控机制。
• 识别在实际器件应用中使峰值电流与谷值电流比（PVR）最大化的条件。
• 分析共振隧穿、空穴到电子输运与克莱因隧穿之间的相互作用，及其对NDR行为的影响。

提出的方法

• 采用对称结构建模石墨烯DB RTD，包含两个矩形势垒（长度分别为$l_1, l_2$，高度分别为$V_{t1}, V_{t2}$），中间夹有长度为$d$的势阱，包含缓冲区和理想接触。
• 通过源漏偏置$V_b$在$x$方向施加线性电压降，费米能级$E_F$通过背栅进行调节。
• 在旋转的赝自旋空间中应用兰道尔-布蒂克形式化方法，计算电流-电压（I-V）特性。
• 通过求解含有效势的狄拉克方程来建模隧穿过程，包括可调带隙$ \delta$的影响。
• 分析三种输运区域：电子到电子输运（I）、空穴到电子输运（II）以及受限的空穴到电子输运（III）。
• 评估峰值电流与谷值电流比（PVR）及工作窗口（OW）随费米能级和带隙的变化关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有无质量狄拉克费米子的对称石墨烯DB RTD中是否可实现NDR？其所需的结构参数是什么？
• RQ2 可调带隙对石墨烯基NDR器件中峰值电流与谷值电流比（PVR）有何影响？
• RQ3 最低NDR工作窗口在多大程度上可与结构参数解耦，并仅通过背栅实现控制？
• RQ4 双极性输运与克莱因隧穿在塑造石墨烯RTD中NDR特性方面发挥何种作用？
• RQ5 金属接触产生的静电结对真实器件中NDR行为及工作窗口有何影响？

主要发现

• 最低NDR工作窗口几乎与结构参数无关，且被锁定在费米能级附近，从而可实现几乎完全通过背栅进行控制。
• 峰值电流与谷值电流比（PVR）随带隙增大而近乎指数增长，关系式为$\textrm{PVR} \approx 0.9832 + 0.0413\textrm{e}^{1.29\delta}$（当$\delta < 2.8$时）。
• 当费米能级为$\epsilon_F = 2.8$时，无带隙情况下的PVR约为1.02，但通过带隙调制后显著提升。
• 最低NDR OW宽度随带隙增大先增加后略有减小，但其中心位置几乎保持不变。
• 带隙的存在抑制了有害的空穴到电子输运与克莱因隧穿，同时增强了共振隧穿，从而产生更强的NDR效应。
• 即使在存在金属接触引起的实际静电结的情况下，NDR行为的定性特征及对OW的背栅控制仍得以保持，尽管其位置发生偏移至$eV_b = E_F - eV_{MC}$。