摩擦电子学场效应晶体管及应用其的逻辑器件和逻辑电路制造技术

本发明专利技术提供了一种摩擦电子学场效应晶体管及应用其的逻辑器件和逻辑电路。该摩擦电子学场效应晶体管包括：晶体管基体，其包括：导电基底及依次形成于该导电基底上的绝缘层以及沟道层；漏极和源极，形成于沟道层的两侧；浮栅电极，形成于导电基底与绝缘层相对的另一面上，与导电基底欧姆接触；以及移动摩擦层，与浮栅电极相对设置。本发明专利技术中，移动摩擦层可在外力作用下与浮栅电极接触摩擦起电，在浮栅电极上产生摩擦电荷，实现两者之间的“动态交互”，替代传统场效应晶体管中的外部栅极电压，实现调控电子器件中载流子输运特性的目的，实现机械-电子的耦合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米及集成电路
，尤其涉及一种摩擦电子学场效应晶体管及应用其的逻辑器件和逻辑电路。
技术介绍
逻辑电路是一种离散信号的传递和处理，以二进制为原理，实现数字信号逻辑运算和操作的电路。逻辑电路只分高、低电平，具有抗干扰力强，精度高和保密性佳的优点，广泛应用于计算机、数字控制、通信、自动化和仪表等方面。虽然逻辑电路技术十分成熟，但现有的逻辑单元器件都是“静态”的，并几乎完全通过电信号触发或启动的，缺乏外界环境与逻辑器件的“动态”交互机制。2014年，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士领导的研究小组将摩擦纳米发电机(TENG)与传统场效应晶体管相结合，研制出外力触控的接触起电场效应晶体管。该器件可在外力作用下使门极材料接触起电，形成静电势作为门极信号，实现对半导体中载流子输运特性的调控。接触起电场效应晶体管作为一种基础器件，可以衍生出一系列能够实现各种功能的人机交互器件，由此首次提出了摩擦电子学(Tribotronics)这一新的研究领域。摩擦电子学耦合了摩擦起电效应和半导体特性，是摩擦纳米发电机的全新应用；同时，作为由机械输入调控载流子输运的另一种全新方式，将同压电电子学一起，为人机交互智能界面的发展提供重要基础。由于摩擦纳米发电机能够产生比压电纳米发电机更高的输出电压，及其与半导体效应的耦合，使得接触起电场效应晶体管相比压电电子学晶体管具有更宽的外力传感范围和更多的材料选择，能够广泛的应用于人机交互、传感器、微纳机电系统、纳米机器人及柔性电子学等领域。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题鉴于上述技术问题，本专利技术提供了一种摩擦电子学场效应晶体管及应
用其的逻辑器件和逻辑电路。(二)技术方案根据本专利技术的一个方面，提供了一种摩擦电子学场效应晶体管。该摩擦电子学场效应晶体管包括：晶体管基体、漏极4、源极5、浮栅电极6以及移动摩擦层7。晶体管基体包括：导电基底3及依次形成于该导电基底上的绝缘层2以及沟道层1。漏极4和源极5，形成于沟道层1的两侧。浮栅电极6，形成于导电基底3与绝缘层2相对的另一面上，与导电基底3欧姆接触。移动摩擦层7，与浮栅电极6相对设置，其可在外力作用下运动，与浮栅电极6产生接触摩擦或分离。其中，浮栅电极6与移动摩擦层7由位于摩擦电极序上不同位置的材料制备。根据本专利技术的另一个方面，还提供了一种摩擦电子学逻辑器件，其特征在于，包括：移动支撑板；以及浮栅电极相对并隔开预设距离的晶体管A和晶体管B。该晶体管A和晶体管B为上述的摩擦电子学场效应晶体管。晶体管A和晶体管B的移动摩擦层固定于移动支撑板的正反两面，并可在该移动支撑板的带动下沿垂直于SOI硅片的方向运动，使晶体管A和晶体管B的移动摩擦层分别与相应的浮栅电极接触摩擦或分离。根据本专利技术的又一个方面，还提供了一种摩擦电子学逻辑非门。该摩擦电子学逻辑非门包括：一逻辑器件，该逻辑器件为权利要求5的摩擦电子学逻辑器件，该逻辑器件中的晶体管A和晶体管B分别为第一晶体管和第二晶体管；其中，第一晶体管的漏极接地，第二晶体管的源级接电源电压Vbias，第一晶体管的源级与第二晶体管的漏极相连，接输出端Vout。根据本专利技术的又一个方面，还提供了一种摩擦电子学逻辑与门。该摩擦电子学逻辑与门包括：第一逻辑器件和第二逻辑器件，该第一逻辑器件和第二逻辑器件为权利要求5的摩擦电子学逻辑器件，该第一逻辑器件中的晶体管A和晶体管B分别为第一晶体管#1和第二晶体管#2，该第二逻辑器件中的晶体管A和晶体管B分别为第三晶体管#3和第四晶体管#4，其中：第一晶体管#1的漏极连接至电源电压Vbias；第一晶体管#1的源级与第三晶体管#3的漏极相连；第二晶体管#2和第四晶体管#4的漏级与第三晶体管#3的源级相连，接输出端Vout；第二晶体管#2和第四晶体管#4的源级接地；FA和FB分别作用于第一逻辑器件和第二逻辑器件。根据本专利技术的又一个方面，还提供了一种摩擦电子学逻辑或门。该摩擦电子学逻辑或门包括：第一逻辑器件和第二逻辑器件，该第一逻辑器件和第二逻辑器件为权利要求5的摩擦电子学逻辑器件，该第一逻辑器件中的晶体管A和晶体管B分别为第一晶体管#1和第二晶体管#2，该第二逻辑器件中的晶体管A和晶体管B分别为第三晶体管#3和第四晶体管#4，其中：第一晶体管#1和第三晶体管#3的漏极连接至电源电压Vbias；第一晶体管#1和第三晶体管#3的源级与第四晶体管#4的漏极相连，接输出端Vout；第二晶体管#2的漏级与第四晶体管#4的源级相连；第二晶体管#2的源级接地；FA和FB分别作用于第一逻辑器件和第二逻辑器件。根据本专利技术的又一个方面，还提供了一种摩擦电子学逻辑与非门。该摩擦电子学逻辑与非门包括：第一逻辑器件和第二逻辑器件，该第一逻辑器件和第二逻辑器件为权利要求5的摩擦电子学逻辑器件，该第一逻辑器件中的晶体管A和晶体管B分别为第一晶体管#1和第二晶体管#2，该第二逻辑器件中的晶体管A和晶体管B分别为第三晶体管#3和第四晶体管#4，其中：第一晶体管#1的漏极连接至地；第一晶体管#1的源级与第三晶体管#3的漏极相连；第二晶体管#2和第四晶体管#4的漏级与第三晶体管#3的源级相连，接输出端Vout；第二晶体管#2和第四晶体管#4的源级接电源电压Vbias；FA和FB分别作用于第一逻辑器件和第二逻辑器件。根据本专利技术的又一个方面，还提供了一种摩擦电子学逻辑或非门。该摩擦电子学逻辑或非门包括：第一逻辑器件和第二逻辑器件，该第一逻辑器件和第二逻辑器件为权利要求5的摩擦电子学逻辑器件，该第一逻辑器件中的晶体管A和晶体管B分别为第一晶体管#1和第二晶体管#2，该第二逻辑器件中的晶体管A和晶体管B分别为第三晶体管#3和第四晶体管#4，其中：第一晶体管#1和第三晶体管#3的漏极连接至地；第一晶体管#1和第三晶体管#3的源级与第四晶体管#4的漏极相连，接输出端Vout；第二晶体管#2的漏级与第四晶体管#4的源级相连；第二晶体管#2的源级接电源电压Vbias；FA和FB分别作用于两个摩擦电子学逻辑器件。根据本专利技术的又一个方面，还提供了一种摩擦电子学逻辑异或门。该摩擦电子学逻辑异或门包括：第一逻辑器件、第二逻辑器件和第三逻辑器件，该第一逻辑器件中的晶体管A和晶体管B分别为第一晶体管#1和第
二晶体管#2，该第二逻辑器件中的晶体管A和晶体管B分别为第三晶体管#3和第四晶体管#4，该第三逻辑器件中的晶体管A和晶体管B分别为第五晶体管#5和第六晶体管#6，其中：第二晶体管#2的源级和第三晶体管#3的漏极连接至电源电压Vbias；第一晶体管#1的漏极和第四晶体管#4的源级接地；第一晶体管#1的源极、第二晶体管#2的漏极和第五晶体管#5的漏极相连；第三晶体管#3的源极、第四晶体管#4的漏极和第六晶体管#6的源级相连；第五晶体管#5的源级和第六晶体管#6的漏极相连，接输出端Vout；FA同时作用于第一逻辑器件和第二逻辑器件，FB作用于第三逻辑器件。根据本专利技术的又一个方面，还提供了一种摩擦电子学逻辑同或门。该摩擦电子学逻辑同或门包括：第一逻辑器件、第二逻辑器件和第三逻辑器件，该第一逻辑器件中的晶体管A和晶体管B分别为第一晶体管#1和第二晶体管#2，该第二逻辑器件中的晶体管A和晶体管B分别为第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种摩擦电子学场效应晶体管，其特征在于，包括：晶体管基体，其包括：导电基底(3)及依次形成于该导电基底上的绝缘层(2)以及沟道层(1)；漏极(4)和源极(5)，形成于所述沟道层(1)的两侧；浮栅电极(6)，形成于所述导电基底(3)与所述绝缘层(2)相对的另一面上，与所述导电基底(3)欧姆接触；以及移动摩擦层(7)，与所述浮栅电极(6)相对设置，其可在外力作用下运动，与所述浮栅电极(6)产生接触摩擦或分离；其中，所述浮栅电极(6)与所述移动摩擦层(7)由位于摩擦电极序上不同位置的材料制备。

【技术特征摘要】
1.一种摩擦电子学场效应晶体管，其特征在于，包括：晶体管基体，其包括：导电基底(3)及依次形成于该导电基底上的绝缘层(2)以及沟道层(1)；漏极(4)和源极(5)，形成于所述沟道层(1)的两侧；浮栅电极(6)，形成于所述导电基底(3)与所述绝缘层(2)相对的另一面上，与所述导电基底(3)欧姆接触；以及移动摩擦层(7)，与所述浮栅电极(6)相对设置，其可在外力作用下运动，与所述浮栅电极(6)产生接触摩擦或分离；其中，所述浮栅电极(6)与所述移动摩擦层(7)由位于摩擦电极序上不同位置的材料制备。2.根据权利要求1所述的摩擦电子学场效应晶体管，其特征在于：当所述移动摩擦层(7)与所述浮栅电极(6)接触摩擦，所述移动摩擦层带负电，所述浮栅电极带正电，为所述摩擦电子学场效应晶体管的第一状态；当所述移动摩擦层(7)与所述浮栅电极(6)分离，在所述摩擦电子学场效应晶体管内部产生内电场，其方向由浮栅电极指向沟道层，为所述摩擦电子学场效应晶体管的第二状态；其中，所述第一状态为开启状态和关闭状态其中之一，所述第二状态为开启状态和关闭状态其中另一。3.根据权利要求1或2所述的摩擦电子学场效应晶体管，其特征在于，所述晶体管基体为SOI硅片，所述导电基底(3)由所述SOI硅片的基片层经重掺杂得到，所述绝缘层(2)为所述SOI硅片的二氧化硅绝缘层，所述沟道层(1)为所述SOI硅片的上层硅。4.根据权利要求1至3中任一项所述的摩擦电子学场效应晶体管，其特征在于，所述漏极(4)、源极(5)和浮栅电极(6)由金属材料或非金属导电材料制备；所述移动摩擦层与浮栅电极(6)接触摩擦的部分由高分子聚合物材料制备。5.一种摩擦电子学逻辑器件，其特征在于，包括：移动支撑板；以
\t及浮栅电极相对并隔开预设距离的晶体管A和晶体管B；该晶体管A和晶体管B为权利要求1至4中任一项所述的摩擦电子学场效应晶体管；所述晶体管A和晶体管B的移动摩擦层固定于所述移动支撑板的正反两面，并可在该移动支撑板的带动下沿垂直于所述SOI硅片的方向运动，使晶体管A和晶体管B的移动摩擦层分别与相应的浮栅电极接触摩擦或分离。6.根据权利要求5所述的摩擦电子学逻辑器件，其特征在于：所述晶体管A的源极接地；所述晶体管B的漏极接电源电压Vbias，源极与晶体管A的漏极相连，接输出端Vout。7.根据权利要求5所述的摩擦电子学逻辑器件，其特征在于：所述移动支撑板靠近所述晶体管A，晶体管A的移动摩擦层与浮栅电极接触，晶体管A开启，晶体管B关闭，输出端Vout为低电平，所述摩擦电子学逻辑器件为输出状态“0”；在外力作用下，移动支撑板朝向晶体管B运动，晶体管B的移动摩擦层与浮栅电极接触，晶体管B开启，晶体管A关闭，输出端Vout为高电平所述，摩擦电子学逻辑器件为输出状态“1”。8.一种摩擦电子学逻辑非门，其特征在于，包括：一逻辑器件，该逻辑器件为权利要求5所述的摩擦电子学逻辑器件，该逻辑器件中的晶体管A和晶体管B分别为第一晶体管和第二晶体管；其中，第一晶体管的漏极接地，第二晶体管的源级接电源电压Vbias，第一晶体管的源级与第二晶体管的漏极相连，接输出端Vout。9.一种摩擦电子学逻辑与门，其特征在于，包括：第一逻辑器件和第二逻辑器件，该第一逻辑器件和第二逻辑器件为权利要求5所述的摩擦电子学逻辑器件，该第一逻辑器件中的晶体管A和晶体管B分别为第一晶体管(#1)和第二晶体管(#2)，该第二逻辑器件中的晶体管A和晶体管B分别为第三晶体管(#3)和第四晶体管(#4)，其中：第一晶体管(#1)的漏极连接至电源电压Vbias；第一晶体管(#1)的源级与第三晶体管(#3)的漏极相连；第二晶体管(#2)和第四晶体管(#4)的漏级与第三晶体管(#3)的
\t源级相连，接输出端Vout；第二晶体管(#2)和第四晶体管(#4)的源级接地；FA和FB分别作用于第一逻辑器件和第二逻辑器件。10.一种摩擦电子学逻辑或门，其特征在于，包括：第一逻辑器件和第二逻辑器件，该第一逻辑器件和第二逻辑器件为权利要求5所述的摩擦电子学逻辑器件，该第一逻辑器件中的晶体管A和晶体管B分别为第一晶体管(#1)和第二晶体管(#2)，该第二逻辑器件中的晶体管A和晶体管B分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：张弛，王中林，张丽敏，唐伟，韩昌报，
申请(专利权)人：北京纳米能源与系统研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11