5.2: Conmutación FET

En los circuitos digitales, un FET ideal tiene dos estados, ON y OFF, seleccionados por el potencial aplicado a la puerta. En el estado OFF, el canal se cierra al flujo de electrones aunque se aplique una polarización entre los electrodos fuente y drenaje. Para cerrar el canal, la puerta debe evitar la inyección de electrones desde la fuente. Por ejemplo, considere el FET molecular en la Figura 5.2.1. Aquí, seguimos la convención FET y medimos todos los potenciales relativos a un contacto de fuente conectado a tierra. Para un sesgo de puerta de\(V_{GS}< \sim 6.2V\) poca corriente fluye a través de la molécula. Pero para\(\sim 6.2V < V_{GS}< \sim 6.4V\) el FET está ON y el canal es conductor.

Figura\(\PageIndex{1}\):\(I_{DS} - V_{GS}\) Características de un FET empleando la molécula buckyball C60. En equilibrio, los potenciales químicos de origen y drenaje están en -5eV, y el LUMO de la molécula está en -4.7eV. Las diversas capacitancias electrostáticas en el dispositivo están etiquetadas. A medida que aumenta el potencial de puerta, el LUMO se empuja hacia abajo. Aproximadamente\(V_{GS} = 6.3 V\), es empujado a resonancia con los contactos de fuente y drenaje y la corriente aumenta dramáticamente. El ancho del LUMO determina la nitidez de la resonancia. Nota 'aF' es el símbolo de atto Farad (\(10^{-18} F\)).

Como se muestra en la Figura 5.2.2, las transiciones son mucho más graduales si el nivel de energía molecular es más amplio. Del mismo modo, aumentar la temperatura también puede difuminar las características de conmutación.

Figura\(\PageIndex{2}\): Comparación entre las características de conmutación de FET moleculares con niveles de energía amplios y estrechos. Tenga en cuenta las diferentes escalas de corriente.

El origen de la conmutación FET se explica en la Figura 5.2.3. El potencial de puerta actúa para desplazar los niveles de energía en la molécula en relación con los potenciales químicos de contacto. Cuando se empuja un nivel de energía entre\(\mu_{1}\) y\(\mu_{2}\) los electrones pueden inyectarse desde la fuente. Correspondientemente, se observa que la corriente aumenta. Los aumentos adicionales en el potencial de puerta empujan el nivel de energía fuera de resonancia y la corriente disminuye nuevamente a ~6.4V.

Figura 5.2.1. La resonancia exterior se abre una brecha de conductancia porque se requiere un sesgo adicional fuente-drenaje para tirar del nivel molecular entre la fuente y los potenciales químicos de drenaje.