Piezoelectric Field Effect and Field-Effect Transistors Based on MoSi22N4, MoSi2P4, and MoGe2N4 Monolayers

压电 场效应晶体管 材料科学 物理 凝聚态物理 拓扑(电路) 晶体管 电气工程 电压 量子力学 复合材料 工程类
作者
Hesameddin Adib,Mohsen Mazaherifar,Shoeib Babaee Touski,Shams Mohajerzadeh
出处
期刊:IEEE Transactions on Electron Devices [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:70 (11): 6042-6048
标识
DOI:10.1109/ted.2023.3319302
摘要

This study provides a comparative analysis of piezoelectric and conventional field-effect transistors (FETs) designed with monolayers of MoSi2N4, MoSi2P4, and MoGe2N4. The electronic parameters such as bandgaps, energy band edges, and electron effective masses under the influence of out-of-plane compressive stress, as well as the inherent stiffness of materials, are meticulously evaluated using the framework of density functional theory (DFT). Our research illustrates that vertical compressive stress has a more pronounced effect on the conduction band minimum (CBM) compared with the valence band maximum (VBM), positioning these novel 2-D materials as promising candidates for the channel of n-type piezoelectric FETs. The effects of stress on the piezoelectric FET channel is investigated, and the current–voltage ( ${I}-{V}$ ) characteristics are analyzed using the nonequilibrium Green’s function (NEGF) formalism. This study reveals that devices engineered with these 2-D materials showcase an ${I}_{\text {on}}/{I}_{\text {off}}$ ratio surpassing 106 and a subthreshold swing (SS) in the vicinity of 60 mV/dec. Compared with their conventional counterparts, piezoelectric FETs using these examined materials demonstrate superior operational performance, with MoSi2N4-based piezoelectric FET boasting the optimal ${I}_{\text {on}}/{I}_{\text {off}}$ and the least SS.
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