黑磷双栅隧穿场效应晶体管层数依赖性能分析及其在纳米电子与生物医学应用中的优化研究

本文通过系统研究黑磷（BP）层数（1–5层）对双栅隧穿场效应晶体管（DG-TFET）性能的影响，填补了当前研究在模拟、射频（RF）、线性度及谐波失真分析方面的空白。研究显示，4层BP结构在增益、线性度和信号保真度间达到最佳平衡，尤其适用于低功耗物联网（IoT）和生物医学传感应用。

　　

Device structure, model calibration, and simulation methodology

图1展示了所提出的黑磷双栅隧穿场效应晶体管（BP-DG-TFET）的器件结构示意图。该器件采用黑磷（BP）作为沟道材料，具有对称结构，其中本征BP沟道（掺杂浓度为10¹⁵/cm³）夹在高掺杂源极（10²⁰受主/cm³）和漏极（10²⁰施主/cm³）之间。为研究BP厚度的影响，我们调整了层数（1至5层），对应不同的有效带隙和隧穿质量。

Physical Insight into Tunneling Mechanism for BP-DG-TFET

图3(a)展示了沿传输方向的电场空间分布。所有器件（从单层到5层）在源极-沟道结处均表现出高度局域化的电场峰值，从而引发带间隧穿（BTBT）。值得注意的是，电场峰值的大小随BP层数增加而系统性上升：多层器件（3L–5L）产生的峰值电场显著高于单层器件。这一现象归因于（i）源极-沟道结附近更高的电荷积累，以及（ii）层数增加导致的带隙减小和有效隧穿质量降低，共同增强了隧穿概率。

Results and Discussions

本节对提出的BP-DG-TFET在五种不同层数配置下的性能进行了全面分析。研究分为七个主要部分：（i）直流性能；（ii）模拟性能；（iii）射频性能；（iv）线性度分析；（v）谐波失真分析；（vi）层数厚度优化；（vii）栅氧厚度优化。

Conclusion

本研究全面分析了不同层数（1–5层）BP-DG-TFET的直流、模拟、射频、线性度及谐波失真特性。结果表明，BP厚度对器件性能具有显著影响：较厚的层数可提高驱动电流和隧穿效率，而较薄的层数因具有更大带隙而提供更好的关态控制。在所有配置中，4层BP沟道表现出最佳的整体性能平衡，是高性能、低功耗生物医学和物联网应用的理想选择。