بخشی از مقاله
چکیده
در ترانزیستور اثرمیدان بدون پیوند دو گیتی علاوه بر پراکندگی ناشی از ناخالصی در کانال، افزایش دمای الکترون نسبت به شبکه سبب افزایش پراکندگی فونونی میشود. شبیهسازیهای انجام شده در این مقاله نشان میدهد، گرادیان دمایی الکترون در کانال سبب افزایش جریان خاموشی و بهدنبال آن تخریب مشخصات زیرآستانه شده است. نتایج شبیه سازی نشان میدهد برای ترانزیستور اثر میدان بدون پیوند دو گیتی با طول کانال 20 nm، گرادیان دمایی الکترون در کانال 90% جریان خاموشی را افزایش میدهد. شیب زیرآستانه برای طول گیت 20 nm با در نظر گرفتن گرادیان دمایی الکترون در کانال، 81mV/dec است و نسبت بهحالتی که دمای الکترون با شبکه یکسان درنظر گرفته شده است 20% افزایش یافته است. بررسیهای انجام شده در این مقاله نشان میدهد با کاهش طول کانال گرادیان دمایی الکترون در کانال، عامل محدود کننده مقیاسبندی است و سبب افرایش نسبت جریان روشنی به جریان خاموشی - ION/IOFF - شده است.
1 -مقدمه هستند .[2] اولین ترانزیستور بدون پیوند2 به شکل مقاومت گیت شده با پیشرفت فنآوری ابعاد افزارههای ترانزیستور اثر میدان فلز- توسط لیلینفیلد در سال 1925 پشنهاد شد .[3] کارکرد این اکسید- نیمههادی - MOSFET - 1 تا زیر میکرومتر کاهش یافته است. ترانزیستور بدون احتیاج به پیوند p-n تعریف میشود. جریان الکتریکی مقیاس بندی سبب ایجاد اثرات نامطلوب کانال کوتاه میگردد که بین سورس و درین در بدنه جریان مییابد و نیازی به آلایش متفاوت منشأ تمامی این اثرات افزایش عرض ناحیه تخلیه سمت درین میباشد بین سورس/ درین و کانال نمیباشد .[4] مقیاسبندی ابعاد افزارههای MOSFET، یک مسئله مهم است. علاوه بر این، کنترل .[ ] اخیرا ترانزیستورهای بدون پیوند بهدلیل کاهش اثرات کانال کوتاه عمق پیوند سورس/ درین در رژیم نانومتری کار آسانی نمیباشد. و سادگی مراحل ساخت نسبت به ترانزیستورهای معمولی مورد توجه فرآیندهای باز پخت سریع برای ساخت پیشنهاد شده است که
هزینههای ساخت بالایی دارند.
بنابراین، داشتن یک افزاره بدون پیوند میتواند اقتصادی باشد JLTs .[5] در حال حاضر به دلیل داشتن مزایایی از جمله، نداشتن پیوند بین سورس و درین، تراکم غلظت یکسان در سرتاسر افزاره بر ترانزیستورهای معمولی غلبه کرده است. در JL-FET حاملها بیشتر توسط قابلیت حرکت بستر محدود میشوند، تا اینکه توسط قابلیت حرکت سطحی محدود شوند. به بیان دیگر، حاملها در کانال دور از فصل مشترک اکسید/ نیمه هادی حرکت میکند. این امر سبب کاهش حساسیت افزاره به میدان عمودی گیت شده است و تخلیه حاملها به خوبی صورت میپذیرد .[6] ساختارهای مختلفی از JLTs، مانند نانو سیم چند گانه، سیلیکون روی عایق و افزارههای کوانتومی پیشنهاد شده است7]و.[8 هدف از این مقاله بررسی اثرات گرادیان دمایی الکترون در کانال ترانزیستور بدون پیوند دو گیتی است.
در [9] پراکندگی ناخالصی کانال بهعنوان عامل محدود کننده جریان بیان شده است. بررسیهای انجام شده در این تحقیق نشان میدهد گرادیان دمایی الکترون در کانال برای ناحیه زیر آستانه سبب افزایش جریان نشتی میشود. در این مقاله، با استفاده از مدل رانش- نفوذ1 و مدل هیدرودینامیک2 پارامترهای شایستگی افزاره بدون پیوند دو گیتی از قبیل جریان خاموشی، شیب زیر آستانه و نسبت جریان روشن به جریان خاموش برای طول کانالهای مختلف مقایسه شده است. در مدل رانش - نفوذ گرادیان دمایی حاملها حذف شده است، با اینحال تحلیل عددی افزاره پیشنهاد شده با مدل هیدرودینامیک نشان میدهد، انرژی حاملها در کانال با شبکه یکسان نبوده و گرادیان دمایی حامل در کانال افزاره پیشنهاد شده مشخصات زیرآستانه را تخریب میکند.
-2 ساختار افزاره و روش شبیه سازی
در افزاره DGJL-FET آلایش سورس، کانال و درین یکسان، 1020 cm- 3، است. طول سورس و درین، ضخامت کانال و ضخامت اکسید بهترتیب 50 nm، 5 nm و 1 nm است. تابع کار گیت 5.1ev است و میتواند به راحتی از جنس پلی سیلیکون نوع- P انتخاب شود. اکسید گیت از نوع high-k با گذردهی 29 است. شبیهسازی توسط شبیهساز SILVACO ATLAS انجام شده است .[10] برای تعیین مشخصات الکتریکی افزاره DGJL-FET از مدل رانش- نفوذ بر اساس معادله - 1 - استفاده شده است :[11]
الکترون، بار الکترون، ضریب نفوذ الکترون، گرادیان چگالی الکترون، قابلیت حرکت الکترون و میدان الکتریکی است. چگالی جریان حفرهها، با در نظر گرفتن چگالی حفره و قابلیت حرکت آن قابل محاسبه است. در شبیهسازی علاوه بر جریان الکترون، جریان حفره نیز محاسبه شده است. برای در نظر گرفتن گرادیان انرژی حاملها از مدل انتقال هیدرودینامیک استفاده شده است .[11] در مدل هیدرودینامیک علاوه بر مؤلفه های جریان رانشی و نفوذی، مؤلفه جریان اضافی به دلیل گرادیان انرژی حامل، درنظر گرفته میشود. برای شبیهسازی جریان الکترون، از معادله - 2 - استفاده شده است: که در آن و بهترتیب، ضریب نفوذ دمایی و گرادیان دمایی الکترون میباشند. در ساختار معرفی شده از مدل پتانسیل کوانتومی بوهم 3 بهدلیل دارا بودن خواص همگرایی بهتر استفاده شده است .[12] این پتانسیل کوانتومی با استفاده از تفسیر بوهم از مکانیک کوانتومی [13] و پیروی از شکل زیر مشتق شده است؛
که در آن α و γ دو پارامتر قابل تنظیم میباشند. معکوس جرم مؤثر و چگالی الکترون است. در این شبیهسازی تغییرات پتانسیل با پتانسیل کوانتومی بوهم اصلاح شده است. برای درنظر گرفتن وابستگی قابلیت حرکت به میدان عمودی و چگالی ناخالصی از مدل لامبارد [ 14] 4 استفاده شده است. برای تعیین دقیق میزان جریان نشتی از مدل بازترکیب شاکلی- رید- هال 5 شده است. با توجه به چگالی بالای آلایش در سرتا سر افزاره از مدل نازک شدگی شکاف باند6 که از رابطه زیر پیروی میکند استفاده شده است. در رابطه - 4 - ، ، ، و بهترتیب تراکم ذاتی الکترونها در آلایش بالا، افزایش شکاف انرژی بهدلیل افرایش ناخالصی، ثابت بولتزمن و دمای الکترون برحسب کلوین است.
-3 نتایج شبیه سازی
"شکل "2 مشخصه IDS-VGS در افزاره DGJL-FET نشان داده شده در "شکل "1 را با در نظر گرفتن مدل رانش- نفوذ در طول کانال 30 nm نشان میدهد. در این مقاله، جریان خاموشی مقدار جریان درین برای VGS = -0.4 V در نمودار "شکل "2 در نظر گرفته شده است. چنانچه در " شکل "2 آمده است، در حالت خاموش با در نظر گرفتن مدل هیدرو دینامیک جریان خاموشی یک دهه بزرگی نسبت به مدل رانش- نفوذ افزایش یافته است. شکل IDS-VGS 2 افزاره DGJL-FET نشان داده شده در شکل 1 با طول کانال .30 nm شرایط بایاس V DS = 0 .4 V "شکل "3 مشخصه دمای الکترونها را در امتداد افزاره DGJL-FET در حالت خاموش برای طول کانال 30 nm نشان میدهد.
شکل 3 دمای الکترونها در امتداد افزاره DGJL-FET، با فاصله 2 nm
از سطح با طول کانال 30 nm در حالت خاموش - VGS = -0.4 VDS = 0.4 - V چنانچه در "شکل "3 مشاهده میشود، با درنظر گرفتن مدل هیدرودینامیک الکترون در کانال با شبکه هم دما نیست. بنابراین می توان افزایش جریان حالت خاموش در مدل هیدرودینامیک نسبت به مدل رانش- نفوذ را به گرادیان دمایی الکترون در کانال نسبت داد. به دلیل افزایش میدان الکتریکی در فصل مشترک درین کانال، بیشینه دمای الکترون در این ناحیه است. نتیجه حاصله مشابه افزارههای مد وارونگی است.
-1-3 مقیاسبندی
"شکل "4 بیشینه دمای الکترون را بر حسب طول کانالهای مختلف نشان میدهد. چنانچه دیده می شود با کاهش طول کانال بیشینه دمای الکترون افزایش یافته است. در حقیقت با کاهش طول کانال میدان الکتریکی افزایش یافته و سبب افزایش دمای الکترون شده است. افزایش دمای الکترون در کانال با کاهش طول گیت یکی از عوامل محدود کننده مقیاسبندی است. این امر سبب افزایش جریان حالت خاموش و به دنبال آن افزایش توان مصرفی افزاره میشود.
شکل 4 بیشینه دمای الکترون برای افزاره DGJL-FET، بهازای طول کانالهای مختلف در حالت خاموش VGS = -0.4 V - و - VDS = 0.4 V "شکل "5 جریان خاموشی را برای طول کانالهای مختلف نشان میدهد . چنانچه دیده میشود با کاهش طول کانال جریان خاموشی افزایش یافته است . برای طول کانالهای مختلف جریان خاموشی افزاره DGJL-FET با مدل هیدرودینامیک نسبت به مدل رانش- نفوذ بیشتر است. شکل IOFF 5 برای طول کانالهای مختلف در مدل رانش- نفوذ و مدل هیدرودینامیک برای افزاره نشان داده شده در شکل .1 شرایط بایاس به شرح زیر است: V GS = -0 .4 V و V DS = 0 .4 V
-1 -1-3 پارامترهای شایستگی
"شکل "6 - الف - و "شکل "6 - ب - بهترتیب نسبت جریان روشنی به جریان خاموشی و شیب زیر آستانه را برای افزاره نشان داده شده در
