بخشی از مقاله
چکیده –
در این مقاله ساختار و مشخصههاي افزاره اثر میدانی تونلی گرافینی - GTFET - در مقیاس نانو بررسی شده است. با بررسی سه ساختار در نظر گرفته شده براي افزاره شامل گرافین داراي شکاف باند و بدون شکاف باند و ترکیبی از هر دو در میان نواحی سورس، کانال و درین، مشخص گردید که نسبت Ion/Ioff در ساختار ترکیب گرافین داراي شکاف باند و بدون شکاف بهبود قابل توجهی در مقایسه با سایر ساختارها در مقیاس نانو داشته و داراي مشخصههاي خروج مناسب تري جهت کاربرد آنالوگ و دیجیتال میباشد. همچنین شبیهسازيها نشان داد با کاهش غلطت ناخالصی نواحی مختلف، جریان کشیده شده و ولتاژ آستانه - Vth - افزاره کاهش مییابد.
-1 مقدمه
باتوجه به روند کاهش ابعاد افزاره از گستره میکرومتر به نانومتر در سالهاي اخیر، محدودیتهایی براي MOSFETبه وجود آمده است، بطوریکه با کاهش طول گیت، آثار کانال کوتاه - SCEs: Short Channel Effedts - پدیدار شده و کوچکسازي افزاره را محدود میکند.[1] آثار کانال کوتاه شامل افزایش جریان نشتی، کاهش سد پتانسیل القاء شده توسط درین - DIBL: Drain-induced barrier lowering - و غیره میباشدکه سبب کاهش کارایی افزاره میگردند. یکی از افزارههایی که براي مقابله با SCEs مطرح است ترانزیستور اثر میدان تونلیمی باشدکه باتوجه به ساختار تونلزنی نوار به نوار داراي شیب آستانه بهتر از MOSFET معمول بوده و مستقل از دما عمل میکند.
یکی از جالبترین و پرکاربردترین پیشرفتها در نانوالکترونیک کشف مجدد گرافین میباشد که یک تک لایه از گرافیت با یک شبکه لانه زنبوري دو بعدي است،که داراي خواص منحصر به فرد از جمله تحرك بالاي [3] 275,000 cm2/V.s همراه با پایداري حرارتی، مکانیکی و داراي باند شکاف صفر و حاملهاي بیجرم کایرال است.
یراً،اخ ترانزیستورهاي اثر میدان تونلی گرافنی - - GTFET - - Graphene Tunnel field-effect transistor - [5] باتوجه به هدایت عرضی بالا، تنظیم نسبی جریان با میدان، تعدیل اثرات کانال کوتاه و دارا بودن فرکانس قطع 50GHz توجه زیادي را به خود جلب کرده است.
تغییر پارامترهاي اصلیس اختار افزاره مانند کوچک شدن ابعاد قطعه، اکسید گیت، ناخالصی نواحی مختلف، شکاف باند انرژي و غیره بر روي مشخصههاي الکترونیکی افزاره TFETهاي گرافینی تاثیر گذاشته و مشخصه - هاي متفاوت، کاربردهاي متفاوتی را براي افزاره ایجاد میکند
در این مقاله به بررسی ساختار و تاثیر تغییر پارامترهاي اصلی ساختار افزاره در مشخصههاي ترانزیستور اثر میدان تونلی گرافینی در ابعاد نانو پرداخته شده است. بخش دوم، در مورد فیزیک و عملکرد افزارهبحث شده و در بخش سوم، مراحل و نتایج مربوط به شبیهسازي و پیادهسازي افزاره در نرم افزار شبیهساز سیلواکو[7,8] دنبال میشود. درنهایت، در بخش چهارم نتیجهگیري نهایی ارائه میشود.
-2 ساختار GTFET و شبیهسازي افزاره
در ساختار GTFET یک گرافین ذاتی که بر روي بستر SiC رشد یافته است به عنوان کانال و گرافین دوپینگ شده با p در سورس و گرافین دوپینگ شده با n در درین استفاده میشود.
عملکرد TFETهاي گرافینی -i-nعمدتاًp بر اساس جریان تونل -زنی است.[9] شکل 1 ساختار افزاره GTFET را نشان میدهد.
با پیادهسازي ساختار در شبیهساز سیلواکو، اثر تغییرپارامترهاي اصلی افزاره مانندتغییر تابع کارو تغییر ناخالصی براي ساختار TFET گرافینی p-i-n بررسیم یشود. در این مقاله مشخصههاي سه ساختار متفاوت افزاره GTFET بررسی شده است. در ساختار اول، گرافین بدون شکاف باند بر روي بستر SiO2 در سراسر نواحی سورس، کانال و درین رشد داده میشود
و ساختار دوم با رشد گرافین با شکاف باندEgap=0.26eV بر روي بستر SiC در سراسر نواحی سورس، کانال و درین ایجاد میشود. و در ساختار سوم،کانال توسط یک گرافین با شکاف باند Egap=0.26eV بر روي بستر SiC رشد یافته است به گونهاي که زیر سورس و درین، گرافین بدون شکاف باند رشد یافته است.[10] از HfO2 به عنوان دي الکتریک گیت استفادهشده است. در هر سه ساختار زیر سورس و درین،به ترتیب گرافین دوپینگ شده با p و دوپینگ شده با nمی باشد وطو ل گیت Lch=20 نانومتر، طول سورس و درین در تمامی ساختارها برابر نانومتر میباشد. شکل 2، پیادهسازي ترانزیستور اثر میدان تونلی گرافینی را در محیط آتنا[8] نشان میدهد. دي-الکتریک از جنس HFO2 با ضریب دي الکتریک k=11 و ضخامت 10 نانومتر انتخاب شده است.
شکل :1 ترانزیستور اثر میدان تونلی گرافینی
براي شبیهسازي ساختار افزاره GTFET و حل معادلات عددي در محیط اطلس از سه روش حل عددي block، gummel و newton استفاده میشود.[7] روش block بعضی از معادلات را با هم حل کرده و بقیه را مستقل فرض می کند. روش gummel میتواند حدسهاي اولیه مناسبی رادر مورد معادلات فراهم کند و زمانی استفاده میشود که معادلات با هم ارتباط کمی داشته باشند. روش نیوتن تمام معادلات را با هم حل می کنداما زمان زیادي را براي حل صرف میکند و از دقت بالاتري برخوردار است. در این شبیهسازي از روش نیوتن براي حل عددي معادلات نیمههادي استفاده شده است. با توجه به اینکه مشخصات ماده گرافن در نرم افزار سیلواکو وجود ندارد [8]بههمین منظور در محیط آتنا ماده 3C-SIC بجاي گرافن لایه نشانی شد. مقادیر پارامترهاي اصلی مورد استفاده براي شبیهسازي افزاره GTFET در محیط اطلس در جدول - - 1 ارائه شده است.
شکل :2 ترانزیستور اثر میدان تونلی گرافینی شبیهسازي شده
جدول : - 1 - پارامترهاي اصلی مورد استفاده براي شبیهسازي
-3 نتایج شبیه سازي
در این بخش، مشخصههاي هر سه ساختار با استفاده از نتایج استخراج شده از نرمافزار سیلواکو مورد بررسی قرار میگیرد. در شکل 3 نمودار جریان درین برحسب تغییرات ولتاژ گیت به ازاي ولتاژ درین1ولت براي هر سه ساختار نمایش یافته است که باتوجه به نمودارها ، ساختارهاي دوم و سوم داراي مشخصه خروجی بهتر و ساختار سوم داراي ولتاژ آستانه پایینتر نسبت به ساختارهاي دیگر بوده، بنابراین ساختار سوم جهت کاربردهاي آنالوگ مناسبتر میباشد. در اشکال 4و5و 6 نمودار جریان درین برحسب تغییرات ولتاژ گیت در ولتاژ درین 0,1 ولت براي ساختار سوم نمایش یافته است .
باتوجه به نمودارها، با کاهش ناخالصی گیت - cm-3 - از 1013 به 1012 و کاهش ناخالصی سورس و درین - cm-3 - از 1017 به 1016، جریان کشیده شده و ولتاژ آستانه - Vth - نیز بر طبق جدول - 2 - کاهش مییابد. در شکل 7 نمودار جریان درین برحسب تغییرات ولتاژ گیت به ازاي Vds =0V براي هر سه ساختار ترسیم شده است، مشاهده میشود که در منحنی، با تغییر ولتاژ گیت از -0,5 تا 1 ولت، یک شیب در نزدیکی نقطه دیراك - Vg 0. 3V - ظاهر شده و افزاره رفتار سوئیچینگ مناسبی را نشان می دهد که در ساختار سوم بهبود یافته است، این امر سبب بهتر شدن نسبت Ion/Ioff میشود. این نسبت، در کاربردهاي دیجیتالی افزاره، عامل مهمی است.
در اشکال 8و9 نمودار جریان درین برحسب تغییرات ولتاژ گیت به ازاي ولتاژ درین 0,5و1 ولت براي ساختار سوم ترسیم شده است. همچنین با افزایش تابع کار الکترود گیت و کانال مطابق شکل 10 ولتاژ آستانه کاهش مییابد.
یکی از پارامترهاي مهم در ترانزیستور، سوئینگ زیر آستانه است که ب ا رابطه - 1 - بیان میشود و با عنوان تغییر در ولتاژ گیت تعریف شده است که باید براي ایجاد یک دهه افزایش در جریان خروجی استفاده شود. ساختار افزاره GTFET داراي سوئینگ زیر آستانه 68 mV/dec میباشد که بسیار نزدیک به مقدار مورد نظر 60mV/dec است.
جدول : - 2 - تغییرات ولتاژ آستانه بر اساس تغییر غلظت ناخالصی کانال
شکل :3 نمودار جریان درین هر سه ساختار برحسب تغییرات ولتاژ گیت در ولتاژ درین1ولت
شکل :4 نمودار جریان درین برحسب تغییرات ولتاژ گیت در ولتاژ درین 0,1ولت با ناخالصی درین و سورس 1e16 و ناخالصی گیت1013
شکل :5 نمودار جریان درین برحسب تغییرات ولتاژ گیت در ولتاژ درین 0,1ولت با ناخالصی درین و سورس 1016 و ناخالصی گیت1012
