PANI/MoS2 异质结晶体管的设计与性能分析：提升模拟电路性能的新策略

为解决传统晶体管在阈值电压(Vth )、开关比和驱动电流等方面的性能瓶颈，研究人员通过构建PANI（聚苯胺）/MoS2 异质结晶体管，结合高介电常数HfO2 栅极氧化物，实现了Vth =-0.39 V、开关比1011 、最大漏电流27 μA的优异性能。该研究为低功耗存储器和模拟电路提供了新方案。

　　

随着集成电路技术的快速发展，晶体管作为电子设备的核心元件，其性能提升面临严峻挑战。传统硅基晶体管在尺寸缩小过程中遭遇漏电流增加、功耗上升等问题，而二维材料如二硫化钼(MoS₂
)因其原子级厚度和高载流子迁移率成为研究热点。然而，单一MoS₂
晶体管的性能仍受限于材料本征特性。与此同时，导电聚合物聚苯胺(PANI)因其可调控的电学特性，与MoS₂
形成的异质结展现出协同增强效应，为晶体管设计提供了新思路。

在此背景下，研究人员开展了PANI/MoS₂
异质结晶体管的系统性研究。通过COMSOL Multiphysics半导体模块的仿真分析，构建了PANI与4层MoS₂
的异质结结构，并对比了HfO₂
与SiO₂
栅极氧化物的性能差异。研究重点考察了3.5 μm至32 nm不同沟道长度下的电学特性，同时优化了10-50 nm HfO₂
的厚度参数。

模型方法论与仿真
研究采用阶梯型能带对齐的异质结设计，通过能带工程实现载流子的高效输运。仿真结果表明，PANI/MoS₂
界面形成的p-n结显著改善了电荷注入效率，而高介电常数HfO₂
栅极有效增强了栅极控制能力，将氧化层电容(C_gg
)提升至40 μF/m²
。

结果与讨论
在3.5 μm沟道长度下，器件展现出突破性性能：阈值电压(V_th
)低至-0.39 V，开关比达10¹¹
，最大漏电流27 μA（栅压0.9 V）。当沟道长度缩小至32 nm时，漏电流进一步提升至1.7 mA。线性度分析显示，该结构具有优异的信号保真度，适用于高精度模拟电路。

结论与展望
该研究证实PANI/MoS₂
异质结晶体管兼具n型和p型特性，为存储器设计和互补逻辑电路提供了单器件解决方案。采用HfO₂
栅极氧化物可平衡性能与功耗，其40 μF/m²
的C_gg
值显著优于传统SiO₂
器件。研究成果发表于《Micro and Nanostructures》，为后摩尔时代晶体管设计提供了重要参考。