۲-۱-۱-۶- گرافن مصنوعی :
در این حالت از گرافن استفاده نشده اما ساختار نانویی و خصوصیات فیزیکی آن دقیقاً همانند گرافن است. در این نیمه رسانای جدید از آرسنید گالیوم[۴۰] استفاده شده است. به طور معمول از این ماده در ساخت ترانزیستورهای پرسرعت و لیزرها استفاده می شود. این ماده به راحتی قابل تولید و قابل به کارگیری است و از این پس می تواند از نظر ساختار نانویی و خصوصیات فیزیکی به شکل گرافن در آید[۳۷].
۲-۱-۱-۷- سنتز گرافن از گرافیت با بهره گرفتن از روش های حرارتی:
روش های بر پایه حرارتی به علت اقتصادی بودن و امکان تولید بالا، برای تولید گرافن در کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند.در این روش اکسید گرافن از اکسید گرافیت حاصل می شود و اکسید گرافیت بدست آمده از اکسیداسیون گرافیت به دست می آید که روشی بسیار قدیمی و مربوط به دهه ۱۸۶۰میلادی می باشد.

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

۲-۱-۱-۸- سنتز نانوریبون‌های گرافنی درون نانولوله‌های کربنی :
در این روش، نانونوارها مستقیما درون نانولوله‌های کربنی تک جداره ایجاد می‌شود. در این روش از فضای خالی درون نانولوله‌های کربنی به‌عنوان راکتور شیمیایی تک بعدی استفاده می شود. گرافن درون این حفره ها قرار دادند[۴۳].
۲-۲- ترانزیستورهای اثر میدانی مبتنی بر نانو نوار گرافن
قاعده کلی عملکرد ترانزیستورهای اثر میدانی مبتنی بر نانو نوار گرافن همانند ماسفت معمولی بر مبنای کنترل جریان سورس و درین با اعمال ولتاژ به گیت صورت می‌گیرد. در برنامه توسعه فناوری برای نیمه هادی ها، ساختار های جدید در ابزار ها مورد بررسی قرار گرفته اند تا امکان جایگزین کردن این ساختار ها با ترانزیستور های سنتی که با اثر میدان نیمه هادی های اکسید فلزی کار می کنند مورد ارزیابی قرار گیرد. در این بخش، عملکرد چند ساختار مختلف که با جایگیری نانو نوار گرافن در کانال ترانزیستور اثر میدانی مورد بحث قرار می­گیرد. نام ساختار جدید به صورت کلی GNRFET نامیده می شود و بر اساس مدل های آن شامل GNRFET مبتنی بر سد شاتکی[۴۱] ، GNRFET ماسفتی[۴۲]و GNRFET تونلی[۴۳] است. ساختار بین این چند ساختار اندکی متفاوت است، اما همین تفاوت اندک منتج به عملکرد متفاوت این دو ترانزیستور می­ شود.
۲-۲-۱- ترانزیستور اثر میدانی نانو نوار گرافن سد شاتکی
ترانزیستورهای با ساختارهای افزاره متفاوت می­توانند به روش های مختلف عمل کنند. برای یک ماسفت معمولی با سورس و درین بشدت آلایش شده، گیت رسانایی کانال را مدوله می­ کند. اگر نیمه­هادی بشدت آلایش شده سورس و درین با سورس و درین فلزی جایگزین شود، بین اتصالات سورس و درین با کانال سد­های شاتکی (SB) شکل می­گیرد، و یک SBFET بدست می ­آید (شکل ۲-۳). رفتار بالاتر از آستانه ترانزیستور، بوسیله مدوله کردن جریان تونل­زنی از میان سدهای شاتکی در دو انتهای کانال بدست می ­آید[۱۰،۱۲-۱۶].
شکل(۲-۳ )ترانزیستور اثر میدانی نانو نوار گرافن سد شاتکی با تصویر a شامل کانتکت فلزی و تصویر b شامل سورس و درین با آلایش بالا ]۶۷[.
قاعده کلی کار SB-GNRFET تونل زنی مستقیم از میان سد شاتکی در محل اتصال سورس کانال است. در این ترانزیستور عرض سد توسط ولتاژ گیت کنترل می­ شود. در بایاس گیت پایین، سد بزرگی خواهیم داشت که جریان را در کانال محدود می­ کند. چنانچه بایاس گیت افزایش یابد، موجب کاهش عرض سد می­ شود، که این کاهش عرض سد، تونل زنی مکانیکی کوانتومی از میان سد را افزایش می­دهد، و بنابراین شار جریان در کانال ترانزیستور افزایش می­یابد. بنابراین در SB-GNRFET ها، گیت جریان تونل زنی کوانتومی از میان سد شاتکی را مدوله می­ کند[۱۴].
نتایج در مرجع[۱۰] نشان می­دهد که مشخصات I-V در SB-GNRFET ها ambipolar (شبه دو قطبی) هستند و بشدت به عرض GNR وابسته­اند. دلیل آن این است که شکاف باند GNR با عرض آن تقریبا تناسب معکوس دارد. بدلیل اینکه ویژگی ambipolar جریان نشتی را افزایش می­دهد برای کاربردهای ماسفت­های مکمل ترجیح داده نمی­ شود. بنابراین بررسی این موضوع که آیا ویژگی ambipolar می ­تواند بوسیله طراحی کردن ارتفاع­های مختلف سد شاتکی سرکوب شود یا نه، از اهمیت زیادی برخوردار است. برای مثال، بنظر می­رسد که وقتی ارتفاع سد شاتکی برای الکترونها کاهش می­یابد، انتقال الکترون برتری دارد، و اگر ارتفاع سد شاتکی برای الکترونها افزایش یابد انتقال حفره برتری دارد. با اینحال، مشخصات شبیه­سازی شده I-V در مرجع[۱۰] نشان می­دهد که وقتی اکسید گیت باریک است، مهندسی ارتفاع سد شاتکی چگونگی ویژگی ambipolar و مشخصات I-V را تغییر نمی­دهد. دلیل آن این است که برای یک اکسیدگیت باریک الکترود گیت می ­تواند بطور موثر میدان از سورس و درین را پرده[۴۴] کند. سد شاتکی، که ضخامت آن تقریبا با ضخامت عایق گیت یکسان است، تقریبا شفاف است. درنتیجه، مهندسی ارتفاع سد شاتکی، اثر کوچکی در ویژگی­های کیفی مشخصات دارد. پدیده­ای مشابه قبلا در SBFET های مبتنی بر نانولوله کربنی[۴۵] ملاحضه و تایید شده است.
وقتی که طول کانال زیر ۱۰nm مقیاس بندی شود، افزایش قابل توجهی در حداقل جریان نشتی مشاهده می­ شود[۱۰]، زیرا جرم موثر کوچک، تونل زنی قوی سورس- درین را تسهیل می­ کند. بنابراین، SB-GNRFET برای ادامه دادن حد مقیاس بندی نهایی ماسفت­های سیلیسیومی، امیدوار کننده نمی ­باشد. با اینحال، سرعت سوئیچینگ ذاتی[۴۶] SB-GNRFET ، چندین برابر سریعتر از ماسفت­های سیلیسیومی است، این موضوع در جایی که جریان نشتی بزرگ SB-GNRFET ها کمتر اهمیت دارد، می ­تواند به کاربردهای الکترونیکی سرعت بالای امید بخشی منجر شود.
در ترانزیستور فوق بر خلاف ماسفت­های متعارف، کنترل جریان به وسیله گیت بواسطه کنترل هدایت کانال صورت نمی­گیرد بلکه تغییر جریان به واسطه تغییر پهنای سد شاتکی اتصال سورس و درین صورت می­گیرد. ساختار فوق دارای خاصیت شبه دوقطبی[۴۷] است، چرا که به ازاء ولتاژهای منفی نیز افزاره حالت خاموشی ندارد.
در SB-GNRFET سد شاتکی همواره وجود دارد و الکترون­ها باید از سد تونل بزنند که این پدیده سبب کاهش جریان روشنی می­ شود، از طرف دیگر جریان نشتی در ترانزیستور با سد شاتکی بسیار زیاد است. این نوع ترانزیستورها معمولاً از نسبت کم، شیب زیر آستانه[۴۸] زیاد و رفتار شبه دوقطبی نامناسبی برخوردارند.
هدایت شبه دوقطبی (Ambipolarity)، یکی از عوامل مهم در طراحی افزاره است، که باید در نظر گرفته شود، مخصوصا وقتی که اکسید گیت، نازک است. محدودیت کوچک­سازی طول کانال، بدلیل تونل ‏زنی سورس و درین می‏باشد که در شرایط ۵ تا ۱۰ نانو متر ظاهر می­شودکه بدلیل شکاف باند کوچک و رفتار موجی بسیار قوی حامل­ها در نانو نوار گرافن، اتفاق می­افتد.
۲-۲-۲- ترانزیستور اثر میدانی نانو نوار گرافن ماسفتی
ساختار افزاره GNRFET ماسفتی (شکل ۲-۴) اندکی متفاوت از ترانزیستور اثر میدانی نانو نوار گرافن سد شاتکی است، زیرا این ساختار بجای فلز، از ترمینالهای بشدت آلایش شده استفاده می­ کند. این افزاره به منظور غلبه بر مشکلات ترانزیستور اثر میدانی نانو نوار گرافن سد شاتکی ، شکل گرفته است. برخلاف ترانزیستور اثر میدانی نانو نوار گرافن سد شاتکی ، ترمینالهای سورس و درین این ترانزیستور مانند ماسفت بشدت آلایش شده ­اند، و از اینرو، این ساختار بعنوان GNRFET ماسفتی نامیده می­ شود[۱۰-۱۵].
این افزاره با اتصال سورس- درین آلایش شده، خازن گیت بزرگتر، رسانایی انتقالی بزرگتر، نرخ جریان on/off بزرگتر، و جریان حالت روشنایی بزرگتری دارد[۱۵]. در افزاره با اتصال سورس- درین آلایش شده، جریان حالت روشنایی بزرگتر، تاخیر سوئیچینگ[۴۹] پایین تر را نتیجه می­دهد، و رسانایی انتقالی بزرگتر، فرکانس قطع ذاتی[۵۰] بزرگتر را نتیجه می­دهد. ولتاژ گیت، آنسوی موقعیت نوار مسطح سورس- کانال، هردو سد تونل­زنی و حرارتی را در افزاره­های اتصال سورس- درین آلایش شده مدوله می­ کند.

شکل(۲-۴): نمایش ساختار GNRFET ماسفتی]۶۵[.
این اتفاق نظر وجود دارد که در افزاره­های ایده­آل، ترانزیستور اثر میدانی نانو نوار گرافن نوع ماسفتی عملکرد بهتری برحسب نرخ جریان on/off، تاخیر سوئیچینگ ذاتی و فرکانس قطع ذاتی از خود نشان می­ دهند[۱۴-۱۵]. جریان حالت روشنایی در ترانزیستور اثر میدانی نانو نوار گرافن ماسفتی بالاتر از ترانزیستور اثر میدانی نانو نوار گرافن مبتنی بر سد شاتکی است. زیرا در ترانزیستور اثر میدانی نانو نوار گرافن ماسفتی، پتانسیل گیت در حالت روشنایی، هم سد حرارتی و هم سد تونل زنی، هردو را مدوله می­ کند. درحالیکه درSB-GNRFET، پتانسیل گیت فقط سد تونل زنی اتصال شاتکی فلزی را مدوله می­ کند، که این موجب محدود شدن جریان حالت روشنایی می­ شود.
۲-۲-۳- ترانزیستور اثر میدانی نانو نوار گرافن تونلی (TFET)
افزاره TFET یک دیود p‐i‐n است که پتانسیل ناحیه ذاتی آن توسط گیت کنترل می شود. شکل (۲-۵) و تفاوت آن با MOSFET در نوع آلایش سورس است.
ترانزیستور اثر میدان تونلی (TFET) یک دیود p‐i‐n بایاس معکوس است که پتانسیل ناحیه ذاتی آن توسط گیت کنترل می شود. این افزاره برای اولین بار توسط “توشیو بابا[۵۱]” در سال ۱۹۹۲ پیشنهاد شد [۱].

شکل(۲-۵ : افزاره TFET ]66[
با پیشرفت فناوری و نیاز به افزاره های با جریان نشتی کم برای کاربردهای توان پایین، TFET مورد توجه قرار گرفته است. تاکنون کارهای متعددی برای بهینه سازی مشخصات TFET صورت گرفته است. این افزاره نسبت به MOSFET، جریان نشت استاتیک کمتری دارد. یکی از ویژگیهای منحصر به فرد TFET نسبت به سایر افزاره های جدید، سازگاری آن با فرایند ساخت CMOS است و بدون هیچ مرحله اضافی می توان آن را ساخت [۴۴]. TFET دارای Ioff در رنج فمتوآمپر و Ion در رنج نانوآمپر است [۴۵-۴۶]. در افزاره های MOSFET ، شیب زیرآستانه در دمای اتاق به دلیل سازوکار نفوذی جریان در وارونگی ضعیف نمی تواند از ۶۰mv/dec کمتر شود، این امر سرعت MOSFET را برای کاربردهای دیجیتال محدود می کند. لیکن در TFET ، با توجه به اینکه ساز و کار جریان تونل زنی نوار به نوار ۱(BTBT) است محدودیت یاد شده وجود ندارد و افزاره می تواند تقریباً مستقل از دما عمل کند [۴۷-۴۸].استفاده از TFET در گیتهای منطقی موجب ظهور فناوریهای[۵۲] (CTFET) و [۵۳](TCMOS) گردیده است که موجب کاهش سطح مصرفی تراشه می گردد. برای مثال در مقایسه با فناوری CMOS، سطح مصرفی تراشه برای هر ترانزیستور در این فناوری ها بین ۵ تا ۱۵ درصد کاهش می یابد [۴۴]. چالش اصلی در TFETبهینه سازی نسبت (ion/ioff) می باشد که معیار خوبی برای سرعت کلیدزنی افزاره است. برای افزایش نسبت (ion/ioff) در TFET کارهای متنوعی انجام شده است. “کاتی بوکارت”۴ و همکاران با بهره گرفتن از اکسید با گذردهی بالا احتمال تونل زنی الکترونها از سورس به کانال را افزایش داده اند و با افزایش Ion ، نسبت (ion/ioff) را بالا برده اند [۴۴]. [۵۴] "کریشنا کومار” و همکاران با پیشنهاد ساختار Vertical TFET و به کارگیری δp+ از جنس SiGe در انتهای سورس، به طور مصنوعی کرنش به وجود آوردند و به نسبت (ion/ioff) قابل قبولی دست یافتند [۴۹-۵۰].
تئوری تونل زنی اولین بار توسط آقای ایساکی در سال ۱۹۵۷ مطرح شد که به همین دلیل برنده جایزه نوبل فیزیک شد. پدیده تونل زنی در یک پیوند p‐n با آلایش شدید طرفین پیوند به وجود می آید. با آلایش حدود ۱۰۱۹cm-3 در رژمانیوم، عرض ناحیه تخلیه تا حد ۱۰ نانومتر کاهش مییابد. سد پتانسیل در این حالت، ارتفاع انرژی بین باند هدایت و باند ظرفیت می باشد. پدیده تونل زنی به الکترون اجازه میدهد تا بدون تغییر در مقدار انرژی و اندازه حرکت به سمت دیگر پیوند انتقال یابد. سرعت ذاتی فرایند تونل زنی بسیار بالاست و زمان گذر در حدود اپیکو ثانیه میباشد. به همین دلیل ادوات مبتنی بر این پدیده در فرکانسهای بسیار بالا کاربرد دارند.
فصل سوم
روش شبیه­سازی ترانزیستورهای اثر میدانی مبتنی بر نانو نوار گرافن
فصل سوم
روش شبیه­سازی ترانزیستورهای اثر میدانی مبتنی بر نانو نوار گرافن
ترانزیستورهای MOS با طول کانال به کوچکی ۱۰ نانومتر در حال حاضر هم از لحاظ نظری و هم از لحاظ تجربی مورد استفاده قرار می گیرند]۶۸[. تحقیقات اخیر سوئیچینگ مولکولی، دستگاه های الکترونیکی مولکولی را کمی به واقعیت نزدیک تر ساخته است ]۶۹[. واضح است که ابزارهای شبیه سازی کمّی این نسل جدید از دستگاه ها به مدل های مکانیک کوانتومی در سطح اتمی نیاز دارند. فرمول تابع گرین عدم تعادلی(NEGF) (گاهی اوقات به فرمول کلدیش یا کانادوف-بایم اشاره می شود) مفهومی برای توسعه ی این کلاس جدید شبیه سازها را ارائه می کند.
ما در این گفتار سعی می کنیم مفاهیم اصلی که زبان انتقال کوانتومی را تعریف می کنند، با نشان دادن شکل NEGF در یک دستگاه واقعی که منجر به نتایج حساس فیزیکی می گردد را روی افزاره نانو نوار گرافن معرفی نماییم.
۳-۳- مروری بر روش شبیه سازی NEGF
همان­طور که مقیاس سازی دستگاه­های الکترونیکی به حد نانومتر می­رسد، اعتبار روش­های مدل سازی مرسوم سوال برانگیز می­ شود. روش­های شبیه­سازی مورد استفاده برای افزاره­های در مقیاس نانو، باید هر دو ساختار مربوط به اتم و اثرات مکانیک کوانتومی را در نظر بگیرند. روش تابع گرین غیر تعادلی[۵۵] (NEGF)، که معادله شرودینگر را تحت شرایط غیر تعادلی حل می­ کند و عملکرد آن براساس کوپلینگ بین اتصال­ها و روند پراکندگی می­باشد، مبنایی را برای شبیه­سازی افزاره کوانتومی فراهم می­ کند [۵۵]. روش شبیه­سازی NEGF، برای شبیه­سازی ترانزیستورها در مقیاس نانو همانند افزاره MOSFET معمولی ]۵۶[و افزاره­های MOSFET با بهره گرفتن از مواد جدید در قسمت کانال ]۵۷[ تا ترانزیستورهای نانولوله کربنی]۵۸[و ترانزیستورهای مولکولی [۵۹]، مناسب بوده ­است. در این بخش، ما خلاصه­ای از روش شبیه­سازی NEGF را ارائه می­دهیم. توضیحات دقیق­تر برای این روش، در ]۶۰-۶۱[ ارائه شده است.
شکل۳-۱ یک ترانزیستور کلی را نشان می­دهد و برخی از اصطلاحات مورد استفاده در روش شبیه­سازی NEGF ، را تعریف می­ کند]۶۲[. اولین گام، شناسایی یک مجموعه اساسی مناسب و ماتریس هامیلتونی برای کانال می­باشد. پتانسیل خودسازگار، که بخشی از ماتریس هامیلتونی است، در این مرحله گنجانده شده است. گام دوم، محاسبه ماتریس­های خود انرژی، ، و است. که شرح می­دهد چگونه یک کانال بالستیک به اتصال­های سورس- درین و به فرایند پراکندگی، کوپل می­ شود(برای سادگی، در این ­جا فقط انتقال بالستیک بررسی می­ شود.).
شکل(۳-۱): ترانزیستور متداول با کانالی شامل اتصال­های سورس و درین
جریان سورس- درین توسط الکترود سوم (گیت) مدوله شده ­است. کمیت­های مورد نظر جهت محاسبه NEGF نیز نشان داده شده اند.
پس از تشخیص ماتریس هامیلتونی و خود انرژی­ها، گام سوم محاسبه تابع گرین تاخیری[۵۶] می­باشد.
(۳-۷)
در رابطه ۳-۷ مقادیر،[ H ] ماتریس هامیلتونی برای شرح کانال و ماتریس خود انرژی [ Σ ] که به توصیف اتصال کانال به کنتاکتها می پردازد و به ترتیب ، به ترتیب ماتریس های خود انرژی مربوط به اتصال سورس، درین و به توصیف تعاملات درون کانال می پردازد. مقدار جریان و نشان دهنده ی جریان در واحد انرژی است.
مرحله چهارم تعیین مقادیر فیزیکی موردنظر، از تابع گرین است. در محدودیت بالستیک، ترازهای موجود در افزاره را می­توان به دو بخش تقسیم کرد: ۱) ترازهای پر شده بوسیله حامل­های آمده از اتصال سورس که از سطح فرمی سورس طبعیت می‏کنند و ۲) ترازهای پر شده بوسیله اتصال درین که از سطح فرمی درین طبعیت می‏کنند. چگالی محلی ترازهای[۵۷] (LDOS) پر شده توسط اتصال سورس (درین) برابر است با: ، که در آن پهن‏شدگی سطح انرژی توسط اتصال سورس (درین) را نشان می‏دهد. چگالی بار در داخل افزاره از طریق انتگرال­گیری از چگالی محلی ترازها (LDOS)، محاسبه می­ شود. چگالی بار محاسبه شده در اتصال سورس به صورت رابطه ۳-۸ ارائه می­ شود.
(۳-۸)
که در آن e بار الکترونیکی می­باشد، و تراز خنثایی بار ]۶۳[ است. بار کل از طریق رابطه ۳-۹ محاسبه می­ شود.
(۳-۹)

موضوعات: بدون موضوع  لینک ثابت


فرم در حال بارگذاری ...