bsuirДоклады БГУИРDoklady BGUIR1729-76482708-0382БГУИР10.35596/1729-7648-2024-22-4-22-29bsuir-3952Research ArticleСтатьиВзаимовлияние электрофизических параметров транзисторной структуры с двумерным каналом в условиях зарядовой неустойчивостиTransistor Structure with a Two-Dimensional Channel Electrophysical Parameters Interrelation Under Conditions of InstabilityЗайцевВ. А.ZaitsauU. A.

Зайцев Владимир Александрович, асп. каф. микро- и наноэлектроники,

220013, г. Минск, ул. П. Бровки, 6

Тел.: +375 17 293-22-24.

Zaitsau Uladzimir Alexandrovich, Postgraduate at the Department of Microand Nanoelectronics,

6, P. Brovki St., Minsk, 220013

Phone: +375 17 293-22-24.

t-rex-1995@mail.ruПодрябинкинД. А.PodryabinkinD. A.

Подрябинкин Д. А., канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. Центра наноэлектроники и новых материалов, 

Минск.

Podryabinkin D. A., Cand. of Sci., Senior Researcher at the Center for Nanoelectronics and New Materials, 

Minsk.

МельниковаВ. В.MelnikovaV. V.

Мельникова В. В., асп. каф. микро- и наноэлектроники, 

Минск.

Melnikova V. V., Postgraduate at the Department of Micro- and Nanoelectronics, 

Minsk.

ДанилюкА. Л.DanilyukA. L.

Данилюк А. Л., канд. физ.-мат. наук, доц., доц. каф. микро- и наноэлектроники, 

Минск.

Danilyuk A. L., Cand. of Sci., Associate Professor, Associate Professor at the Department of Microand Nanoelectronics, 

Minsk.

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники (БГУИР)Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics (BSUIR)2024010920242242229Copyright © Зайцев В.А., Подрябинкин Д.А., Мельникова В.В., Данилюк А.Л., 20242024Зайцев В.А., Подрябинкин Д.А., Мельникова В.В., Данилюк А.Л.Zaitsau U.A., Podryabinkin D.A., Melnikova V.V., Danilyuk A.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.bsuir.by/jour/article/view/3952

Разработана модель и получены закономерности взаимовлияния электрофизических параметров транзисторной структуры с двумерным каналом, обусловленные самоорганизацией зарядовых и емкостных свойств в условиях зарядовой неустойчивости. В качестве материала двумерного канала рассматриваются дихалькогениды переходных металлов. Исследовано влияние на электрофизические параметры транзисторной структуры с двумерным полупроводниковым каналом ширины запрещенной зоны материала канала, толщины подзатворного диэлектрика, емкости интерфейсных состояний. Показано, что в условиях неустойчивости, вызываемой ростом емкости интерфейсных состояний, зависимости электрохимического потенциала, концентрации электронов и квантовой емкости от потенциала полевого электрода имеют скачкообразный вид. Полученные результаты объясняются тем, что в условиях неустойчивости рост емкости интерфейсных состояний ведет к рассогласованию условия электронейтральности и статистики Ферми – Дирака при определенных величинах потенциала затвора из-за ограниченного характера плотности состояний двумерного канала, что ведет к проявлению зарядового дисбаланса. Данный эффект аналогичен переходу металл-полупроводник и может быть отнесен к бистабильным критическим явлениям. Разработанная модель и полученные результаты могут быть использованы в системах автоматизированного проектирования элементной базы микро- и наноэлектроники.

A model has been developed and patterns of mutual influence of the electrophysical parameters of a transistor structure with a two-dimensional channel, due to the self-organization of charge and capacitive properties under conditions of charge instability, have been obtained. Transition metal dichalcogenides are considered as a material for a two-dimensional channel. The influence on the electrical parameters of a transistor structure with a two-dimensional semiconductor channel of the band gap of the channel material, the thickness of the gate dielectric, and the capacitance of interface states is considered. It is shown that under conditions of instability caused by an increase in the capacitance of interface states, the dependence of the electrochemical potential, electron concentration and quantum capacitance on the potential of the field electrode has an abrupt form. The results obtained are explained by the fact that, under conditions of instability, an increase in the capacitance of interface states leads to a mismatch between the electrical neutrality condition and the Fermi-Dirac statistics at certain val ues of the gate potential due to the limited nature of the density of states of the two-dimensional channel, which leads to the manifestation of a charge imbalance. The resulting effect is similar to the metal-semiconductor transition and can be attributed to bistable critical phenomena. The developed model and the results obtained can be used in computer-aided design systems for the element base of micro- and nanoelectronics.

транзисторная структурадвумерный каналэлектрохимический потенциалквантовая емкостьзарядовая неустойчивостьинтерфейспереход металл/полупроводникбистабильностьtransistor structuretwo-dimensional channelelectrochemical potentialquantum capacitancecharge instabilityinterfacemetal-semiconductor transitionbistabilityИсследования выполнены при финансовой поддержке и в рамках решения задач заданий 3.2 и 3.15 Государственной программы научных исследований «Фотоника и электроника для инноваций», 2021–2025 гг.The research was carried out with financial support and as part of solving the tasks of assignment 3.2 and 3.15 of the State Scientific Research Program “Photonics and Electronics for Innovation”, 2021–2025.ReferencesLiu Y., Duan X., Shin H.-J., Park S., Huang Yu, Duan X. (2021) Promises and Prospects of Two-Dimensional Transistor. Nature. 591, 43–53.Liu Y., Duan X., Shin H.-J., Park S., Huang Yu, Duan X. (2021) Promises and Prospects of Two-Dimensional Transistor. Nature. 591, 43–53.Knobloch T., Selberherr S., Grasser T. (2022) Challenges for Nanoscale CMOS Logic Based on TwoDimensional Materials. Nanomaterials. 12 (20).Knobloch T., Selberherr S., Grasser T. (2022) Challenges for Nanoscale CMOS Logic Based on TwoDimensional Materials. Nanomaterials. 12 (20).Chhowalla M., Jena D., Zhang H. (2016) Two-Dimensional Semiconductors for Transistors. Nat. Rev. Mater. 1.Chhowalla M., Jena D., Zhang H. (2016) Two-Dimensional Semiconductors for Transistors. Nat. Rev. Mater. 1.Luryi S. (1988) Quantum Capacitance Devices. Applied Physics Letters. 52, 501–503.Luryi S. (1988) Quantum Capacitance Devices. Applied Physics Letters. 52, 501–503.Ferry D. K. (2017) Electron Transport in Some Transition Metal Di-Chalcogenides: MoS2 and WS2. Semicond. Sci. Technol. 32.Ferry D. K. (2017) Electron Transport in Some Transition Metal Di-Chalcogenides: MoS2 and WS2. Semicond. Sci. Technol. 32.Das S., Sebastian A., Pop E. (2021) Transistors Based on Two-Dimensional Materials for Future Integrated Circuits. Nat Electron. 4, 786–799.Das S., Sebastian A., Pop E. (2021) Transistors Based on Two-Dimensional Materials for Future Integrated Circuits. Nat Electron. 4, 786–799.Patel K. A., Grady R. W., Smithe K. K. H., Pop E., Sordan R. (2020) Ultra-Scaled MoS2 Transistors and Circuits Fabricated Without Nanolithography. 2D Mater. 7.Patel K. A., Grady R. W., Smithe K. K. H., Pop E., Sordan R. (2020) Ultra-Scaled MoS2 Transistors and Circuits Fabricated Without Nanolithography. 2D Mater. 7.Manzeli S., Ovchinnikov D., Pasquier D., Yazyev O., Kis A. (2017) 2D Transition Metal Dichalcogenides. Nat. Rev. Mater. 2.Manzeli S., Ovchinnikov D., Pasquier D., Yazyev O., Kis A. (2017) 2D Transition Metal Dichalcogenides. Nat. Rev. Mater. 2.Iannaccone G., Bonaccorso F., Colombo L., Fiori G. (2018) Quantum Engineering of Transistors Based on 2D Materials Heterostructures. Nat. Nanotechnol. 13, 183–191.Iannaccone G., Bonaccorso F., Colombo L., Fiori G. (2018) Quantum Engineering of Transistors Based on 2D Materials Heterostructures. Nat. Nanotechnol. 13, 183–191.Makovskaya T. I., Danilyuka A. L., Krivosheevaa A. V., Shaposhnikova V. L., Borisenkoa V. E. (2020) Charge Properties of the MOS Transistor Structure with the Channel Made from a Two-Dimensional Crystal. Russian Microelectronics. 49 (7), 507–515.Makovskaya T. I., Danilyuka A. L., Krivosheevaa A. V., Shaposhnikova V. L., Borisenkoa V. E. (2020) Charge Properties of the MOS Transistor Structure with the Channel Made from a Two-Dimensional Crystal. Russian Microelectronics. 49 (7), 507–515.Zebrev G. I. (2011) Graphene Field Effect Transistors: Diffusion–Drift Theory. Physics and Applications of Graphene­Theory. InTech. 476–498. DOI: 10.5772/14211.Zebrev G. I. (2011) Graphene Field Effect Transistors: Diffusion–Drift Theory. Physics and Applications of Graphene­Theory. InTech. 476–498. DOI: 10.5772/14211.Jiménez D. (2012) Drift-Diffusion Model for Single Layer Transition Metal Dichalcogenide Field-Effect Transistors. Applied Physics Letters. 101 (24).Jiménez D. (2012) Drift-Diffusion Model for Single Layer Transition Metal Dichalcogenide Field-Effect Transistors. Applied Physics Letters. 101 (24).Kaushik N., Mackenzie D. M. A., Thakar K., Goyal N., Mukherjee B., Boggild P., et al. (2017) Reversible Hysteresis Inversion in MoS2 Field Effect Transistors. Npj 2D Mater. Appl. 1.Kaushik N., Mackenzie D. M. A., Thakar K., Goyal N., Mukherjee B., Boggild P., et al. (2017) Reversible Hysteresis Inversion in MoS2 Field Effect Transistors. Npj 2D Mater. Appl. 1.Lin Y.-C., Dumcenco D. O., Huang Y. S., Suenaga K. (2014) Atomic Mechanism Of The Semiconducting-toMetallic Phase Transition in Single-Layered MoS2. Nat. Nanotechnol. 9, 391–396.Lin Y.-C., Dumcenco D. O., Huang Y. S., Suenaga K. (2014) Atomic Mechanism Of The Semiconducting-toMetallic Phase Transition in Single-Layered MoS2. Nat. Nanotechnol. 9, 391–396.Late D. J., Bin Liu, Matte H. S. S. R., Dravid V. P., Rao C. N. R. (2012) Hysteresis in Single-Layer MoS2 Field Effect Transistors. ACS Nano. 6, 5635–5641.Late D. J., Bin Liu, Matte H. S. S. R., Dravid V. P., Rao C. N. R. (2012) Hysteresis in Single-Layer MoS2 Field Effect Transistors. ACS Nano. 6, 5635–5641.Jiapei Shu, Gongtao Wu, Yao Guo, Bo Liu, Xianlong Wei, Qing Chen (2016) The Intrinsic Origin of Hysteresis in MoS2 Field Effect Transistors. Nanoscale. 8, 3049–3056.Jiapei Shu, Gongtao Wu, Yao Guo, Bo Liu, Xianlong Wei, Qing Chen (2016) The Intrinsic Origin of Hysteresis in MoS2 Field Effect Transistors. Nanoscale. 8, 3049–3056.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.