CN114005876B - 一种双极性晶体管及逻辑器件 - Google Patents

一种双极性晶体管及逻辑器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双极性晶体管及逻辑器件，通过引入摩擦纳米发电机，将摩擦纳米发电机与双极性晶体管组件相结合，可以通过摩擦纳米发电机向栅极传输电信号，以调节沟道层中载流子的种类，实现双极性晶体管和逻辑器件的功能；如此，可以替代目前技术中通过外加电源向栅极施加电压，易于制作与集成，同时还可以实现外部环境与电子器件的结合和交互。

Description

一种双极性晶体管及逻辑器件
技术领域
本发明涉及晶体管技术领域，尤指一种双极性晶体管及逻辑器件。
背景技术
双极性晶体管是一种由栅极的电压调控沟道层内载流子的类型及其浓度的电子器件，随着施加的栅极电压的极性不同，在沟道层中可以感应出相应的空穴载流子或电子载流子，因此可以被称为双极性晶体管。
CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)反相器电路一般由两个增强型的CMOS组成，两个CMOS的栅极可以作为信号的输入端，实现对输入信号的相位进行反转处理。
然而，若要实现双极性晶体管和CMOS反相器的功能，需要专门的外部电源来充当栅极电压，集成具有复杂性，并且基于此类技术制成的压力传感器件缺乏外界环境与电子器件直接作用交互的机制。
发明内容
本发明实施例提供了一种双极性晶体管及逻辑器件，将摩擦纳米发电机和双极性晶体管相结合，利用摩擦纳米发电机产生的电信号作为栅极电压，实现对沟道层中载流子的类型进行调控，从而可以实现外部环境与电子器件的结合和交互。
第一方面，本发明实施例提供了一种双极性晶体管，包括：摩擦纳米发电机和双极性晶体管组件；
所述双极性晶体管组件包括：基底、依次位于所述基底的第一表面的栅绝缘层、沟道层和源漏电极层、以及位于所述基底的第二表面的栅极层；其中所述第一表面和第二表面为所述基底中相对设置的两个表面；
所述摩擦纳米发电机位于所述第二表面，且所述摩擦纳米发电机分别与所述源漏电极层中的源极、以及所述栅极层中的栅极电连接；
所述摩擦纳米发电机在外力作用下向所述栅极传输电信号，以调节所述沟道层内载流子的种类。
第二方面，本发明实施例提供了一种逻辑器件，包括：第一摩擦纳米发电机、第二摩擦纳米发电机、以及双极性晶体管组件；
所述双极性晶体管组件包括：基底、依次位于所述基底的第一表面的栅绝缘层、沟道层和源漏电极层、以及位于所述基底的第二表面且同层设置的第一栅极和第二栅极；其中所述第一表面和第二表面为所述基底中相对设置的两个表面；
所述第一摩擦纳米发电机和所述第二摩擦纳米发电机均位于所述第二表面，且所述第一摩擦纳米发电机分别与所述源漏电极层中的源极、以及所述第一栅极电连接，所述第二摩擦纳米发电机分别与所述第二栅极、以及所述第一摩擦纳米发电机电连接；
在外力作用下，所述第一摩擦纳米发电机向所述第一栅极输出第一电信号，同时所述第二摩擦纳米发电机向所述第二栅极输出第二电信号，以调节所述沟道层内载流子的种类；
其中，所述第一电信号与所述第二电信号的极性不同。
本发明有益效果如下：
本发明实施例提供的一种双极性晶体管及逻辑器件，通过引入摩擦纳米发电机，将摩擦纳米发电机与双极性晶体管组件相结合，可以通过摩擦纳米发电机向栅极传输电信号，以调节沟道层中载流子的种类，实现双极性晶体管和逻辑器件的功能；如此，可以替代目前技术中通过外加电源向栅极施加电压，易于制作与集成，同时还可以实现外部环境与电子器件的结合和交互。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种双极性晶体管的结构示意图；
图2为本发明实施例中提供的另一种双极性晶体管的结构示意图；
图3为本发明实施例中提供的又一种双极性晶体管的结构示意图；
图4为本发明实施例中提供的再一种双极性晶体管的结构示意图；
图5为本发明实施例中提供的双极性晶体管的等效电路图；
图6为本发明实施例中提供的双极性晶体管的工作原理示意图；
图7为本发明实施例中提供的一种逻辑器件的结构示意图；
图8为本发明实施例中提供的另一种逻辑器件的结构示意图；
图9为本发明实施例中提供的又一种逻辑器件的结构示意图；
图10为本发明实施例中提供的反相器的等效电路图；
图11为本发明实施例中提供的逻辑器件的工作原理示意图。
10-双极性晶体管组件，11、硅基底-基底，12-栅绝缘层，13-沟道层，14a-源极，14b-漏极，15-栅极层，15a-第一栅极，15b-第二栅极，20-摩擦纳米发电机，21、21a-第一导电层，22、22a-第二导电层，23、23a-第二摩擦层，24-第一摩擦层，25、25a、25b-衬底，20a-第一摩擦纳米发电机，20b-第二摩擦纳米发电机，21b-第三导电层，22b-第四导电层，24b-第三摩擦层，23b-第四摩擦层，30、Vout-信号输出端，M1-第一摩擦结构，M2-第二摩擦结构，M3-第三摩擦结构，M4-第四摩擦结构，B1-第一表面，B2-第二表面。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例提供的一种双极性晶体管及逻辑器件的具体实施方式进行详细地说明。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种双极性晶体管，如图1所示，可以包括：摩擦纳米发电机20和双极性晶体管组件10；
双极性晶体管组件10包括：基底11、依次位于基底11的第一表面B1的栅绝缘层12、沟道层13和源漏电极层(如14a和14b所在的膜层，且14a表示源极，14b表示漏极)、以及位于基底11的第二表面B2的栅极层15；其中第一表面B1和第二表面B2为基底11中相对设置的两个表面；
摩擦纳米发电机20位于第二表面B2，且摩擦纳米发电机20分别与源漏电极层中的源极14a、以及栅极层15中的栅极电连接；
摩擦纳米发电机20在外力作用下向栅极传输电信号，以调节沟道层13内载流子的种类。
如此，通过引入摩擦纳米发电机，将摩擦纳米发电机与双极性晶体管组件相结合，可以通过摩擦纳米发电机向栅极传输电信号，以调节沟道层中载流子的种类，实现双极性晶体管的功能；如此，可以替代目前技术中通过外加电源向栅极施加电压，易于制作与集成，同时还可以实现外部环境与电子器件的结合和交互。
可选地，在本发明实施例中，摩擦纳米发电机在外力作用下向栅极传输的电信号，除了可以调节沟道层中载流子的种类之外，还可以调节载流子的浓度，实现对双极性晶体管的调控。
可选地，在本发明实施例中，摩擦纳米发电机在外力作用下向栅极传输正极性的电压信号时，沟道层形成N型沟道；
或，摩擦纳米发电机在外力作用下向栅极输出负极性的电压信号时，沟道层形成P型沟道。
如此，通过摩擦纳米发电机在外力作用下输出的电信号，可以实现对沟道层中载流子种类的调节，从而实现双极性晶体管的功能。
可选地，在本发明实施例中，摩擦纳米发电机包括：第一摩擦结构和第二摩擦结构，第一摩擦结构设置在基底与第二摩擦结构之间；
第二摩擦结构在外力作用下发生移动，并与第一摩擦结构产生接触和分离；
其中，栅极层复用为第一摩擦结构中的至少部分结构，第二摩擦结构与源极电连接。
如此，可以有利于简化双极性晶体管的结构，进而有利于降低双极性晶体管的体积，从而使得电子器件更加小巧、轻便。
具体地，在本发明实施例中，第一摩擦结构包括第一导电层，栅极层复用为第一导电层；
第二摩擦结构包括第二导电层，第二导电层与源极电连接。
也就是说，如图2所示，在第一摩擦结构M1仅包括第一导电层21时，栅极层15复用为第一导电层21即可，使得在将摩擦纳米发电机引入双极性晶体管中时，只需要设置第二摩擦结构M2即可，无需在设置第一摩擦结构M1，从而大大简化双极性晶体管的结构，降低双极性晶体管的重量，减小双极性晶体管的体积，同时还可以有利于降低双极性晶体管的制作成本。
如图3和图4所示，在第一摩擦结构M1包括：叠层设置的第一导电层21和第一摩擦层24，且第一摩擦层24位于第二摩擦结构M2与第一导电层21之间时，栅极层15依然可以复用为第一导电层21，使得在将摩擦纳米发电机引入双极性晶体管中时，只需要在栅极层15表面制作第一摩擦层24即可得到第一摩擦结构M1，从而可以简化双极性晶体管的结构，降低双极性晶体管的重量，减小双极性晶体管的体积，同时还可以有利于降低双极性晶体管的制作成本。
具体地，在本发明实施例中，对于第一摩擦结构和第二摩擦结构的具体设置形式，可以包括以下几种情况：
情况1：
可选地，在本发明实施例中，如图2和图3所示，第二摩擦结构M2可以包括：叠层设置的第二导电层22和第二摩擦层23，且第二摩擦层23位于第一摩擦结构M1与第二导电层22之间，其中，第二导电层22可以与源极14a电连接。
此时，在第一摩擦结构M1仅包括第一导电层21时，如图2所示，在外力作用下，第二摩擦层23发生移动，且与第一导电层21进行接触和分离；
或者，在第一摩擦结构M1包括第一导电层21和第一摩擦层24时，如图3所示，在外力作用下，第二摩擦层23发生移动，且与第一摩擦层24进行接触和分离；
并且，在第一摩擦结构包括第一导电层和第一摩擦层时，第一摩擦层和第二摩擦层的制作材料可以设置为电负性不同的材料，使得在摩擦起电和静电感应的作用下，第一摩擦层和第二摩擦层可以分别感应出不同极性的电荷；
其中，对于第一摩擦层和第二摩擦层的制作材料，可以根据实际需要进行设置，只要可以实现在摩擦起电和静电感应的作用下，第一摩擦层和第二摩擦层可以分别感应出不同极性的电荷即可，具体材料的选择在此并不限定。
情况2：
可选地，在本发明实施例中，如图4所示，在第一摩擦结构M1包括：第一导电层21和第一摩擦层24时，第二摩擦结构M2可以仅包括第二导电层22，使得在外力作用下，第二导电层22发生移动且与第一摩擦层24进行接触和分离。
总之，在设置第一摩擦结构和第二摩擦结构的具体结构时，可以选择上述情况1或情况2中的方式进行设置，具体可以根据实际需要进行选择，在此并不限定。
需要说明的是，可选地，在第二摩擦结构未发生移动时，若第一摩擦结构与第二摩擦结构之间存在一定的间隙(如图2和图3所示，其中该间隙的具体大小在此并不限定，可以根据实际需要进行设置)时，可以使得第二摩擦结构进行上下移动(也即沿着中的X1方向移动)，从而实现第一摩擦结构和第二摩擦结构的接触和分离；
当然，在第二摩擦结构未发生移动时，若第一摩擦结构与第二摩擦结构之间不存在间隙而是直接接触(如图4所示)时，可以使得第二摩擦结构进行左右滑动(也即沿着图4中的X2方向滑动)，从而实现第一摩擦结构和第二摩擦结构的接触和分离。
可选地，在本发明实施例中，在摩擦纳米发电机中包括第一导电层和第二导电层时，第一导电层和第二导电层的制作材料可以为金属材料。
并且，第一导电层和第二导电层的制作材料可以设置为相同，当然也可以设置为不同，同时第一导电层和第二导电层的厚度可以设置为相同，也可以设置为不同，均可以根据实际需要进行设置，在此并不限定。
可选地，在本发明实施例中，第二摩擦结构M2还包括衬底25，如图2至图4所示，使得第二导电层22可以设置在衬底25之上。
如此，可以通过衬底对第二导电层起到较好的支撑作用，同时还可以便于实现第二摩擦结构的移动，从而使得摩擦纳米发电机可以有效地输出电信号，对沟道层内的载流子的种类进行调节。
具体地，在本发明实施例中，衬底的制作材料可以但不限于设置为亚克力板，当然还可以选择其他可以实现衬底功能的材料，在此并不限定。
需要说明的是，可选地，在本发明实施例中，栅极层还可以不复用为第一摩擦结构中的至少部分结构，也即：栅极层与第一摩擦结构为两个独立设置的结构(未给出图示)，且二者通过连接线实现电连接；如此，以提高设计的灵活性，满足不同应用场景的需要。
可选地，在本发明实施例中，对于双极性晶体管组件而言：
基底的制作材料可以但不限于为硅基底；
栅绝缘层的制作材料可以但不限于为二氧化硅、氧化铪、氧化铝、氧化镁或六方氮化硼等绝缘材料；
沟道层的制作材料可以但不限于为黑鳞、硒化钨、硫化钨或碲化钼等双极性二维半导体材料或有机双极性半导体材料；
源漏电极层的制作材料可以但不限于为铝、钛、靶、金等金属或金属合金；
栅极层的制作材料可以但不限于为铝、钛、靶、金等金属或金属合金。
其中，对于基底、栅绝缘层、沟道层、源漏电极层和栅极层的制作材料并不限于上述列举的材料，可以根据实际需要进行选择，在此并不限定。
并且，说明一点，可选地，源漏电极层包括源极和漏极，且源极和漏极与沟道层可以形成欧姆接触；
需要强调的是，本发明实施例提供的上述双极性晶体管的等效电路图如图5所示，可以通过摩擦纳米发电机(如图5中的TENG)为双极性晶体管组件中的栅极提供电信号(其中，双极性晶体管组件中的源极可以接地同时与摩擦纳米发电机电连接，漏极可以接入如但不限于VDD信号)，以代替外部电源提供的栅极电压，实现双极性晶体管的自驱动设计，降低对外部电源的依赖，同时还可以实现外部机械和电子器件的有效结合，为电子器件的应用和设计提供了新思路。
下面对本发明实施例提供的上述双极性晶体管的工作过程进行说明。
结合图6所示，以第一摩擦结构M1仅包括第一导电层21，栅极层15复用为第一导电层21，第二摩擦结构包括第二导电层22和第二摩擦层23，第二摩擦结构沿着图中的F方向滑动，基底11为硅基底为例。
初始状态，如(a)所示：
第二摩擦结构可以先进行一段时间的滑动，使得第二摩擦层23可以与栅极层15产生摩擦，此时，在第二摩擦结构的左端与栅极层15的左端之间的距离为D0时，可以将该位置作为初始位置，且在此初始位置时，沟道层13内未感应出电子和空穴，或者可以理解为沟道层13内电子和空穴的浓度相同且互相抵消，所以沟道层13未表现出P型和N型。
同时，在静电感应的作用下，第二导电层22中感应出一部分正电荷。
N型沟道，如(b)所示：
以上述初始位置为基础，若第二摩擦结构向右侧滑动(其中第二摩擦结构的左端与栅极层15的左端之间的距离D1大于D0)时，第二摩擦层23与栅极层15的接触面积减少，在静电感应的作用下，使得第二导电层22中感应出的正电荷增加，且电子可以通过外电路传输至源极14a；同时，随着第二摩擦层23与栅极层15的接触面积减少，栅极层15中的部分正电荷被束缚的程度降低，使得硅基底11中的电子向栅极层15中移动中和掉部分正电荷，最终使得沟道层13感应出电子，从而形成N型沟道，也即：此时双极性晶体管表现为N型晶体管。
在第二摩擦结构继续向右侧滑动，直至第二摩擦层23与栅极层15无接触时，沟道层13内感应出的电子的浓度最高；同时，第二摩擦结构可以改变为向左侧滑动，由于第二摩擦层与栅极层15重新开始接触，在静电感应的作用下，电子从源极14a回到第二导电层22中，使得沟道层13内的电子浓度降低，直至回到初始位置时，沟道层13内的电子浓度降至最低，此时双极性晶体管未表现出P型和N型。
P型沟道，如(c)所示：
以上述初始位置为基础，若第二摩擦结构向左侧滑动(其中第二摩擦结构的左端与栅极层15的左端之间的距离D2小于D0)时，第二摩擦层23与栅极层15的接触面积增加，在静电感应的作用下，使得第二导电层22中感应出的正电荷减少，即电子可以从源极14a流向第二导电层22中；同时，随着第二摩擦层23与栅极层15的接触面积增加，栅极层15中束缚了更多的正电荷，使得栅极层15中的电子流向硅基底11中，进而使得沟道层13感应出空穴，从而形成P型沟道，也即：此时双极性晶体管表现为P型晶体管。
在第二摩擦结构继续向左侧滑动，直至第二摩擦层23与栅极层15完全接触(也即第二摩擦层23与栅极层15的接触面积最大)时，沟道层13内感应出的空穴的浓度最高；同时，第二摩擦结构可以改变为向右侧滑动，由于第二摩擦层23与栅极层15的接触面积重新开始减少，在静电感应的作用下，电子又从第二导电层22中移动至源极14a，使得沟道层13内的空穴浓度降低，直至回到初始位置时，沟道层13内的空穴浓度降至最低，此时双极性晶体管未表现出P型和N型。
基于同一发明构思，本发明实施例提供了种逻辑器件，如图7所示，可以包括：第一摩擦纳米发电机20a、第二摩擦纳米发电机20b、以及双极性晶体管组件10；
双极性晶体管组件10包括：基底11、依次位于基底11的第一表面B1的栅绝缘层12、沟道层13和源漏电极层(如14a和14b所在的膜层，且14a表示源极，14b表示漏极)、以及位于基底11的第二表面B2且同层设置的第一栅极15a和第二栅极15b；其中第一表面B1和第二表面B2为基底11中相对设置的两个表面；
第一摩擦纳米发电机20a和第二摩擦纳米发电机20b均位于第二表面B2，且第一摩擦纳米发电机20a分别与源漏电极层中的源极14a、以及第一栅极15a电连接，第二摩擦纳米发电机20b分别与第二栅极15b、以及第一摩擦纳米发电机20a电连接；
在外力作用下，第一摩擦纳米发电机20a向第一栅极15a输出第一电信号，同时第二摩擦纳米发电机20b向第二栅极15b输出第二电信号，以调节沟道层13内载流子的种类；
其中，第一电信号与第二电信号的极性不同。
通过引入摩擦纳米发电机，将摩擦纳米发电机与双极性晶体管组件相结合，可以通过摩擦纳米发电机向栅极传输电信号，以调节沟道层中载流子的种类，实现逻辑器件的功能；如此，可以替代目前技术中通过外加电源向栅极施加电压，易于制作与集成，同时还可以实现外部环境与电子器件的结合和交互。
可选地，在本发明实施例中，第一电信号和第二电信号的幅值的绝对值，可以相同，也可以不同，需要根据第一摩擦纳米发电机和第二摩擦纳米发电机的具体设置方式确定，只要第一电信号和第二电信号的极性不同即可。
可选地，在本发明实施例中，对于双极性晶体管组件的具体制作材料，可以参见上述双极性晶体管中关于双极性晶体管组件的描述，在此不再详述。
下面对第一摩擦纳米发电机和第二摩擦纳米发电机的具体结构进行介绍。
可选地，在本发明实施例中，第一摩擦纳米发电机包括：第一摩擦结构和第二摩擦结构，第一摩擦结构设置在基底与第二摩擦结构之间；第二摩擦结构在外力作用下发生移动，并与第一摩擦结构产生接触和分离；
第二摩擦纳米发电机包括：第三摩擦结构和第四摩擦结构，第三摩擦结构设置在基底与第四摩擦结构之间；第四摩擦结构在外力作用下发生移动，并与第三摩擦结构产生接触和分离；
其中，第一栅极复用为第一摩擦结构中的至少部分结构，第二摩擦结构与源极电连接；
第二栅极复用为第三摩擦结构中的至少部分结构，第四摩擦结构与第二摩擦结构电连接。
如此，可以有利于简化逻辑器件的结构，进而有利于降低逻辑器件的体积，从而使得电子器件更加小巧、轻便。
可选地，在本发明实施例中，第一摩擦结构包括第一导电层，第一栅极复用为第一导电层；第二摩擦结构包括第二导电层，第二导电层与源极电连接；
第三摩擦结构包括第三导电层，第二栅极复用为第三导电层；第四摩擦结构包括第四导电层，第四导电层与第二导电层电连接。
也就是说，如图8所示，在第一摩擦结构M1仅包括第一导电层21a时，第一栅极15a复用为第一导电层21a即可，使得在将第一摩擦纳米发电机20a引入逻辑器件中时，只需要设置第二摩擦结构M2即可，无需在设置第一摩擦结构M1；同理，在第三摩擦结构M3仅包括第三导电层21b时，第二栅极15b复用为第三导电层21b即可，使得在将第二摩擦纳米发电机20b引入逻辑器件中时，只需要设置第四摩擦结构M4即可，无需在设置第三摩擦结构M3。
从而，可以大大简化逻辑器件的结构，降低逻辑器件的重量，减小逻辑器件的体积，同时还可以有利于降低逻辑器件的制作成本。
或者，在第一摩擦结构包括：叠层设置的第一导电层和第一摩擦层(未给出图示)，且第一摩擦层位于第二摩擦结构与第一导电层之间时，第一栅极依然可以复用为第一导电层，使得在将第一摩擦纳米发电机引入逻辑器件中时，只需要在第一栅极表面制作第一摩擦层即可得到第一摩擦结构；
同理，在第三摩擦结构包括：叠层设置的第三导电层和第三摩擦层(未给出图示)，且第三摩擦层位于第四摩擦结构与第三导电层之间时，第二栅极依然可以复用为第三导电层，使得在将第二摩擦纳米发电机引入逻辑器件中时，只需要在第二栅极表面制作第三摩擦层即可得到第三摩擦结构。
从而，可以简化逻辑器件的结构，降低逻辑器件的重量，减小逻辑器件的体积，同时还可以有利于降低逻辑器件的制作成本。
具体地，在本发明实施例中，对于第一摩擦结构和第二摩擦结构的具体设置形式，可以参见上述双极性晶体管中对于第一摩擦结构和第二摩擦结构的实施方式，在此不再详述。
同理，第三摩擦结构和第四摩擦结构的具体设置形式，同样可以参见上述双极性晶体管中对于第一摩擦结构和第二摩擦结构的实施方式，在此不再详述。
下面仅以两个实施例，对第一摩擦结构、第二摩擦结构、第三摩擦结构和第四摩擦结构的具体设置形式进行说明。
实施例：结合图8所示。
第一摩擦结构M1包括第一导电层21a，且第一栅极15a复用为第一导电层21a；
第二摩擦结构M2包括第二导电层22a和第二摩擦层23a，在第二摩擦结构M2发生移动时，第二摩擦层23a可以与第一导电层21a进行接触和分离；
第三摩擦结构M3包括第三导电层21b和第三摩擦层24b，且第二栅极15b复用为第三导电层21b；
第四摩擦结构M4包括第四导电层22b，在第四摩擦结构M4发生移动时，第四导电层22b可以与第三摩擦层24b进行接触和分离。
此时，第二摩擦结构和第四摩擦结构可以进行上下移动(也即沿着图8中X1方向移动)。
因此，可选地，在本发明实施例中，如图8所示，在第二摩擦结构M2和第四摩擦结构M4未发生移动的状态下，第一摩擦结构M1与第二摩擦结构M2之间具有第一间隙D1，第三摩擦结构M3与第四摩擦结构M4之间具有第二间隙D2；
其中，第一间隙D1与第二间隙D2相同。
如此，可以使得第二摩擦结构和第四摩擦结构同时发生移动时，第二摩擦结构与第一摩擦结构接触的同时，第四摩擦结构可以与第三摩擦结构接触，进而还可以实现第二摩擦结构与第一摩擦结构分离的同时，第四摩擦结构可以与第三摩擦结构分离，实现第一摩擦纳米发电机和第二摩擦纳米发电机同时输出电信号，基于两个摩擦纳米发电机输出的电信号的极性的不同，在沟道层内产生两种载流子，实现逻辑器件的功能。
说明一点，在第二摩擦结构和第四摩擦结构可以进行上下移动时，可选地，在第一摩擦结构仅包括第一导电层时，第三摩擦结构需要设置为包括第三导电层和第三摩擦层；
或者，第一摩擦结构包括第一导电层和第一摩擦层时，第三摩擦结构需要设置为仅包括第三导电层，或包括第三导电层和第三摩擦层，但此时第一摩擦层和第三摩擦层需要采用不同电负性的材料制作。
如此，可以使得第一栅极和第二栅极感应出的电信号的极性不同，从而可以实现逻辑器件的功能。
实施例：结合图9所示。
第一摩擦结构M1包括第一导电层21a，且第一栅极15a复用为第一导电层21a；
第二摩擦结构M2包括第二导电层22a和第二摩擦层23a，在第二摩擦结构M2发生移动时，第二摩擦层23a可以与第一导电层21a进行接触和分离；
第三摩擦结构M3包括第三导电层21b，且第二栅极15b复用为第三导电层21b；
第四摩擦结构M4包括第四导电层22b和第四摩擦层23b，在第四摩擦结构M4发生移动时，第三导电层21b可以与第四摩擦层23b进行接触和分离。
此时，第二摩擦结构和第四摩擦结构可以进行左右滑动(也即沿着图9中X2方向移动)。
并且，可选地，在本发明实施例中，如图9所示，第一摩擦结构M1与第三摩擦结构M3在X1方向上的长度可以设置为相同，第二摩擦结构M2和第四摩擦结构M4在X1方向上的长度也可以设置为相同。
如此，可以使得第一摩擦结构与第二摩擦结构可以实现良好地接触，第三摩擦结构与第四摩擦结构可以实现良好地接触，从而使得第一摩擦纳米发电机和第二摩擦纳米发电机可以同时输出电信号，实现逻辑器件的功能。
并且，具体地，在本发明实施例中，如图9所示，第一摩擦结构M1、第二摩擦结构M2、第三摩擦结构M3和第四摩擦结构M4在X2方向上的长度均相同(也即均为h1)；
同时，在第二导电层22a和第四导电层22b为一体结构，或第二导电层22a和第四导电层222b设置在同一衬底(如25a和25b形成的一体结构)之上时，第二摩擦结构M2和第四摩擦结构M4在X2方向上的长度可以设置为h1。
如此，在第二摩擦结构和第四摩擦结构进行左右滑动时，避免第四摩擦结构对第一摩擦纳米发电机输出电信号造成不利影响，同时避免第二摩擦结构对第二摩擦纳米发电机输出电信号造成不利影响，保证第一摩擦纳米发电机和第二摩擦纳米发电机均能有效输出电信号。
说明一点，在第二摩擦结构和第四摩擦结构可以进行左右滑动时，可选地，第一摩擦结构可以仅包括第一导电层，第三摩擦结构可以仅包括第三导电层；
进而，第二摩擦结构可以包括第二导电层和第二摩擦层，第四摩擦结构包括第四导电层和第四摩擦层。
如此，基于上述双极性晶体管的工作原理，在第二摩擦结构和第四摩擦结构可以进行左右滑动时，即使第一摩擦结构可以仅包括第一导电层，第三摩擦结构可以仅包括第三导电层，依然能够使得沟道层中靠近源极的区域(即图9中靠左的区域)、以及靠近漏极的区域(即图9中靠右的区域)感应出不同的电荷，从而实现同一沟道层内的不同区域感应出不同极性的载流子，实现了逻辑器件的功能。
可选地，在本发明实施例中，不管第二摩擦结构和第四摩擦结构进行上下移动，还是左右滑动，均可以设置为：
第二导电层22a与第四导电层22b为一体结构，如图8和图9所示。
也就是说，第三导电层与第四导电层可以制作在同一块衬底之上。
如此，可以使得第二摩擦结构和第四摩擦结构同时进行移动，进而使得第一摩擦纳米发电机和第二摩擦纳米发电机同时向第一栅极和第二栅极输出不同极性的电信号，从而调节沟道层内的载流子种类，实现逻辑器件的功能。
可选地，在本发明实施例中，第一摩擦结构面向第二摩擦结构的一侧表面、以及第三摩擦结构面向第四摩擦结构的一侧表面均设置有纤维阵列。
如此，可以使得第一摩擦结构与第二摩擦结构可以实现良好地接触，同时第三摩擦结构与第四摩擦结构也可以实现良好地接触，从而使得第一摩擦纳米发电机和第二摩擦纳米发电机可以输出有效的电信号，避免出现干扰对双极性晶体管组件的影响，也即避免对沟道层内载流子种类和浓度的干扰，提高逻辑器件的性能。
可选地，在本发明实施例中，如图7所示，还包括信号输出端30，信号输出端30位于源漏电极层且位于源极14a与漏极14b之间；
第一栅极15a与第二栅极15b之间存在第三间隙D3；
信号输出端30在沿着第一栅极15a和第二栅极15b的排列方向上的长度h0大于第三间隙D3。
如此，可以通过信号输出端将处理后的信号输出至外界的其他器件或设备，从而可以通过机械控制输出处理后的信号，实现外部机械与电子器件的有效结合。
可选地，在本发明实施例中，各导电层以及各摩擦层的制作材料，可以参见前述双极性晶体管中关于导电层和摩擦层的实施例，在此不再详述。
需要说明的是，可选地，在本发明实施例中，第一栅极还可以不复用为第一摩擦结构中的至少部分结构，也即：第一栅极与第一摩擦结构为两个独立设置的结构(未给出图示)，且二者通过连接线实现电连接；
并且，第二栅极还可以不复用为第三摩擦结构中的至少部分结构，也即：第二栅极与第三摩擦结构为两个独立设置的结构(未给出图示)，且二者通过连接线实现电连接；
如此，可以提高设计的灵活性，满足不同应用场景的需要。
可选地，在本发明实施例中，如图8所示，所述源极接地设置；
所述沟道层13包括：靠近所述源极14a设置的第一区域Q1、以及靠近所述源漏电极层中的漏极14b设置的第二区域Q2；
所述第一区域Q1为N型沟道，所述第二区域Q2为P型沟道，所述逻辑器件为反相器；
或，所述第一区域Q1为P型沟道，所述第二区域Q2为N型沟道，所述逻辑器件为同相器。
如此，通过对沟道层内不同区域的载流子种类的调节，从而使得逻辑器件实现反相器或同相器的功能。
需要强调的是，以本发明实施例提供的上述逻辑器件为反相器为例，等效电路图如图10所示，可以通过摩擦纳米发电机(如图10中的TENG，该摩擦纳米发电机为第一摩擦纳米发电机和第二摩擦纳米发电机的统称)为双极性晶体管组件中的栅极提供电信号(其中，双极性晶体管组件中的源极可以接地同时与摩擦纳米发电机电连接，漏极可以接入如但不限于VDD信号)，以代替外部电源提供的栅极电压，实现逻辑器件的自驱动设计，降低对外部电源的依赖，同时还可以实现外部机械和电子器件的有效结合，为电子器件的应用和设计提供了新思路。
可选地，在本发明实施例中，逻辑器件是将半导体器件(即双极性晶体管组件)与摩擦纳米发电机进行耦合，通过外部指令实现对逻辑器件的控制，实现了外界环境与电子器件的交互；
并且，本发明实施例提供的逻辑器件，可以在主动模式下进行必要的逻辑操作，从而在人机交互、电子皮肤、智能传感器和其他可穿戴设备中具有巨大的应用潜力。
下面对本发明实施例提供的上述逻辑器件的工作过程进行说明。
结合图11所示，并且，以第一摩擦结构M1仅包括第一导电层21a，第一栅极15a复用为第一导电层21a，第二摩擦结构包括第二导电层22a和第二摩擦层23a，第三摩擦结构仅包括第三导电层21b，第二栅极15b复用为第三导电层21b，第四摩擦结构包括第四导电层22b和第四摩擦层23b，第二导电层22a和第四导电层22b为一体结构，第二摩擦结构和第四摩擦结构沿着F方向滑动，基底11为硅基底为例。
初始状态，如(a)所示：
第二摩擦结构和第四摩擦结构可以先进行一段时间的滑动，使得第二摩擦层23a可以与第一栅极15a产生摩擦，第四导电层22b与第四摩擦层23b产生摩擦，此时，在第四摩擦结构的左端与第二栅极15b的左端之间的距离为D01，且第二摩擦结构的右端与第一栅极15a的右端之间的距离为D02(其中，D01和D02可以相同，也可以不相同)时，可以将该位置作为初始位置，且在此初始位置时，沟道层13内未感应出电子和空穴，或者可以理解为沟道层13内电子和空穴的浓度相同且互相抵消，所以沟道层13未表现出P型和N型。
同时，在静电感应的作用下，第二导电层22a和第四导电层22b中均感应出一部分正电荷。
N型沟道，如(b)所示：
以上述初始位置为基础，若第二摩擦结构和第四摩擦结构向右侧滑动时，对于第二摩擦结构而言：
第二摩擦层23a与第一栅极15a的接触面积增加，在静电感应的作用下，使得第二导电层22a中感应出的正电荷减少，即电子可以从第四导电层22b流向第二导电层22a中；同时，随着第二摩擦层23a与第一栅极15a的接触面积增加，第一栅极15a中束缚了更多的正电荷，使得第一栅极15a中的电子流向硅基底11中，进而使得沟道层13的左侧感应出空穴，从而使得沟道层13左侧形成P型沟道；
对于第四摩擦结构而言：
第二栅极15b与第四摩擦层23b的接触面积减少，在静电感应的作用下，使得第四导电层22b中感应出的正电荷增加，且电子可以流向第二导电层22a中；同时，随着第四摩擦层23b与第二栅极15b的接触面积减少，第二栅极15b中的部分正电荷被束缚的程度降低，使得硅基底11中的电子可以向第二栅极15b中移动，进而使得沟道层13的右侧感应出电子，从而使得沟道层13的右侧形成N型沟道；
此时，由于沟道层13的左侧为P型沟道，右侧为N型沟道，所以此时的逻辑器件为同相器，可以实现同相器的功能。
同样地，以上述初始位置为基础，若第二摩擦结构和第四摩擦结构向左侧滑动时，具体过程与上述过程类似，具体可参见上述描述。最终使得沟道层13的左侧为N型沟道，右侧为P型沟道，如图11中的(c)所示，所以此时的逻辑器件为反向器，可以实现反向器的功能。
如此，在同一沟道层中，通过第二摩擦结构和第四摩擦结构滑动方向的不同，在同一双极性晶体管组件中构造出了反相器和同相器。
具体的如图10所示的等效电路图，通过第一摩擦纳米发电机和第二摩擦纳米发电机分别向第一栅极和第二栅极施加不同极性的电信号，在沟道层中感应出P-N、N+-N、P+-P的导电沟道，在通过沟道层中间位置引出的信号输出端Vout，将处理后的信号输出，从而实现了反相器的功能。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种双极性晶体管，其特征在于，包括：摩擦纳米发电机和双极性晶体管组件；
所述双极性晶体管组件包括：基底、依次位于所述基底的第一表面的栅绝缘层、沟道层和源漏电极层、以及位于所述基底的第二表面的栅极层；其中所述第一表面和第二表面为所述基底中相对设置的两个表面；
所述摩擦纳米发电机位于所述第二表面，且所述摩擦纳米发电机分别与所述源漏电极层中的源极、以及所述栅极层中的栅极电连接；
所述摩擦纳米发电机在外力作用下向所述栅极传输电信号，以调节所述沟道层内载流子的种类；
所述摩擦纳米发电机包括：第一摩擦结构和第二摩擦结构，所述第一摩擦结构设置在所述基底与所述第二摩擦结构之间；所述第二摩擦结构在外力作用下发生移动，并与所述第一摩擦结构产生接触和分离；其中，所述第一摩擦结构与所述栅极层电连接，所述第二摩擦结构与所述源极电连接；
以初始位置为起点，所述第二摩擦结构沿着第一方向移动至第一预设位置后沿着第二方向回到所述初始位置，再沿着所述第二方向从所述初始位置移动至第二预设位置后沿着所述第一方向回到所述初始位置，所述初始位置为：所述第一摩擦结构与所述第二摩擦结构之间产生静电感应，且所述沟道层内的电子和空穴相互抵消的位置；所述第一方向与所述第二方向平行且相反，且所述第一方向与所述第一表面平行或垂直；
在所述第一方向与所述第一表面垂直时，所述第一预设位置为所述第一摩擦结构与所述第二摩擦结构之间无静电感应时的位置，所述第二预设位置为所述第一摩擦结构与所述第二摩擦结构接触时的位置；或，在所述第一方向与所述第一表面平行时，所述第一预设位置为所述第一摩擦结构与所述第二摩擦结构之间无接触时的位置，所述第二预设位置为所述第一摩擦结构与所述第二摩擦结构完全接触时的位置。
2.如权利要求1所述的双极性晶体管，其特征在于，所述摩擦纳米发电机在外力作用下向所述栅极传输正极性的电压信号时，所述沟道层形成N型沟道；
或，所述摩擦纳米发电机在外力作用下向所述栅极输出负极性的电压信号时，所述沟道层形成P型沟道。
3.如权利要求1所述的双极性晶体管，其特征在于，所述栅极层复用为所述第一摩擦结构中的至少部分结构。
4.如权利要求3所述的双极性晶体管，其特征在于，所述第一摩擦结构包括第一导电层，所述栅极层复用为所述第一导电层；
所述第二摩擦结构包括第二导电层，所述第二导电层与所述源极电连接。
5.一种逻辑器件，其特征在于，包括：第一摩擦纳米发电机、第二摩擦纳米发电机、以及双极性晶体管组件；
所述双极性晶体管组件包括：基底、依次位于所述基底的第一表面的栅绝缘层、沟道层和源漏电极层、以及位于所述基底的第二表面且同层设置的第一栅极和第二栅极；其中所述第一表面和第二表面为所述基底中相对设置的两个表面；
所述第一摩擦纳米发电机和所述第二摩擦纳米发电机均位于所述第二表面，且所述第一摩擦纳米发电机分别与所述源漏电极层中的源极、以及所述第一栅极电连接，所述第二摩擦纳米发电机分别与所述第二栅极、以及所述第一摩擦纳米发电机电连接；
在外力作用下，所述第一摩擦纳米发电机向所述第一栅极输出第一电信号，同时所述第二摩擦纳米发电机向所述第二栅极输出第二电信号，以调节所述沟道层内载流子的种类；
其中，所述第一电信号与所述第二电信号的极性不同。
6.如权利要求5所述的逻辑器件，其特征在于，所述第一摩擦纳米发电机包括：第一摩擦结构和第二摩擦结构，所述第一摩擦结构设置在所述基底与所述第二摩擦结构之间；所述第二摩擦结构在外力作用下发生移动，并与所述第一摩擦结构产生接触和分离；
所述第二摩擦纳米发电机包括：第三摩擦结构和第四摩擦结构，所述第三摩擦结构设置在所述基底与所述第四摩擦结构之间；所述第四摩擦结构在外力作用下发生移动，并与所述第三摩擦结构产生接触和分离；
其中，所述第一栅极复用为所述第一摩擦结构中的至少部分结构，所述第二摩擦结构与所述源极电连接；
所述第二栅极复用为所述第三摩擦结构中的至少部分结构，所述第四摩擦结构与所述第二摩擦结构电连接。
7.如权利要求6所述的逻辑器件，其特征在于，所述第一摩擦结构包括第一导电层，所述第一栅极复用为所述第一导电层；所述第二摩擦结构包括第二导电层，所述第二导电层与所述源极电连接；
所述第三摩擦结构包括第三导电层，所述第二栅极复用为所述第三导电层；所述第四摩擦结构包括第四导电层，所述第四导电层与所述第二导电层电连接。
8.如权利要求6所述的逻辑器件，其特征在于，所述第一摩擦结构面向所述第二摩擦结构的一侧表面、以及所述第三摩擦结构面向所述第四摩擦结构的一侧表面均设置有纤维阵列。
9.如权利要求5所述的逻辑器件，其特征在于，还包括信号输出端，所述信号输出端位于所述源漏电极层且位于所述源极与漏极之间；
所述第一栅极与所述第二栅极之间存在第三间隙；
所述信号输出端在沿着所述第一栅极和所述第二栅极的排列方向上的长度大于所述第三间隙。
10.如权利要求5-9任一项所述的逻辑器件，其特征在于，所述源极接地设置；
所述沟道层包括：靠近所述源极设置的第一区域、以及靠近所述源漏电极层中的漏极设置的第二区域；
所述第一区域为N型沟道，所述第二区域为P型沟道，所述逻辑器件为反相器；
或，所述第一区域为P型沟道，所述第二区域为N型沟道，所述逻辑器件为同相器。
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