بخشی از مقاله
خلاصه
با رشد سریع فناوری ساخت مدارهای الکترونیکی و ورود به مرز فناوری نانو، چالشهای فراوانی را نیز فراروی متخصصین الکترونیک قرار داده است. برخی از این چالشها مربوط به فرآیند و فناوری ساخت مدارهای الکترونیکی و بخشی نیز مربوط به کوچک شدن ابعاد ترانزیستورها است. این مسائل منجرب به جایگزینی مواد جدیدی به منظور استفاده در مدارهای الکترونیکی شده است.
یکی از مواد مهم در نانو الکترونیک که به دلیل خواص الکتریکی، حرارتی، مکانیکی در جوامع علمی مورد توجه قرار گرفته است، نانولوله کربن میباشد، یکی از مشکلاتی که برای افزارهای مورد بررسی قرار میگیرد و تأثیری که روی عملکرد ومشخصات افزاره دارد اثر خود گرمایی میباشد به طوری که ثابت شده است دمای ترانزیستور با وجود این اثر بالا میرود و افزایش دما باعث کاهش عملکرد ترانزیستور میشود.در این مقاله ساختار ترانزیستور اثرمیدان نانولوله کربنی از لحاظ ساختار هندسی، نحوه عملکرد، خواص الکتریکی و الکتروگرمایی به خصوص اثر خود گرمایی، فرکانس قطع، مشخصه ترانزیستور و ولتاژ آستانه مورد بحث قرار میگیرد.
.1 مقدمه
یکی از مطرحترین موضوعها در نانو تکنولوژی، نانو لولههایکربنی هستند که در سالهای اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند و دلیل آن، ابعاد بسیار کوچک، ساختار منحصر به فرد و پتانسیل استفاده آنها در بسیاری از تکنولوژیها میباشد. یکی از پرکاربردترین زمینهها برای استفاده از نانولوله های کربنی، نانوالکترونیک است. با پیشرفت سریع مدارهای مجتمع محققان به دنبال روشهای جدیدی برای طراحی مدارها برآمدند. با آشکار شدن ساختار منحصر به فرد نانولوله کربن و خصوصیات آن همانند ابعاد خیلی کوچک، تحرکپذیری بالا و انتقال پرتابهای، نانولوله کربن به عنوان جایگزین مناسب برای سیلیکون مطرح شد نانو لولههای کربنی به دلیل خواص منحصر به فرد الکتریکی،حرارتی،مکانیکی مورد توجه جامعه علمی واقع شده است.
در حال حاضر بهترین کاربرد نانولولههای کربنی به عنوان ترانزیستور است. چرا که این ترانزیستورها نه تنها به عنوان عنصر فعال بلکه به عنوان خازن و مقاومت نیز استفاده میشود هر چند مدارهای ساخته شده با ماسفت نسبت به مدارهای ساخته شده با بی جی تیها پیچیدهتر و سرعت کمتری دارند، اما هزینه ساخت کمتر و نیز فضای کمتری اشغال میکنند. بنابراین در فناوری مجتمعسازی در مقیاس بزرگ1 کاربرد گستردهای دارند.
نانولولههای کربنی خیلی مشابه ماسفتها هستند که در آن کانال سیلیکونی با یک نانولوله کربنی جایگزین شده است. بسیاری از ترانزیستورهای مبتنی بر نانولولهها از نانولولهای کربنی تک دیواره1 ساخته شده اند، چون انرژی شکاف باند آنها در حد نیمه هادی است.در سال 2004 ، امکان جداسازی لایههای منفرد گرافیت با ضخامت یک اتم که به آن گرافن گفته میشد به صورت آزمایشگاهی به وسیلهی رویه سابی مکانیکی گرافیت فراهم شد. این کشف نقطهی عطفی در فناوری نانو از آغاز تا کنون بود که مفهوم اجزای تک اتمی را به واقعیت نزدیکتر کرد. کربن میتواند به صورت زنجیرههای طولانی درآید که به آن زنجیری شدن میگویند.سیلیکون دومین عنصر مشابه کربن در گروه 14 است که ساختار الکترونی باندهای نیمه پر مشابه دارد. سیلیکون در مقایسه با کربن، به راحتی زنجیری نمیشود.
طبق قانون مور تعداد ترانزیستورهای روی یک تراشه هر هجده ماه دو برابر خواهد شد بنابراین تولید کنندگان با استفاده از روش کاهش ابعاد ترانزیستورها به افزایش تعداد ترانزیستورهای روی تراشه پرداختند اما امروزه از یک سو تواناییهای سیلیکون به محدودیتهای خود رسیده است به طوری که باکاهش ابعاد ترانزیستورها اثراتی مانند اثر طول کوتاه ،هزینه ساخت ،توان مصرفی منجرب می شود. به عنوان مثال، بخشهایی ازترانزیستورها تنها به اندازه چند اتم ضخامت دارند و با کاهش ابعاد ترانزیستورها کوچکتر هم میشوند .بنابراین وقتی ابعاد به محدوده ضخامت یک یا دو اتم برسند، کاهش ابعاد باید متوقف شده و تکنولوژی جدیدی مورد استفاده قرار گیرد
یک جایگزین مناسب برای مدارات مجتمع مبتنی بر نقش نگاری نور، بهره گیری از فناوری نانو و قطعات الکترونیکی درمقیاس نانو است.کاهش ابعاد برای دستیابی به مدارهای مجتمع سریعتر و بزرگتر ضروری است .برای برخی کاربردها، مقیاس کردن این اجازه را میدهد که قطعات بیشتری روی یک تراشه مجتمع شوند، از سوی دیگر به طور هم زمان کشف گرافن و نانو لولههای کربنی با خواص منحصربه فرد خود در مقیاس نانو، مسیر موجود برای تولید جایگزینهای ممکن برای نسل جدید قطعات الکترونیکی سریعتر و کوچکتر در قرن 21 را هموارکرده است.
ویژگیهای جذاب گرافن و نانو لوله های کربنی باعث شده است محققان برای حلمشکلات پیشین از جایگزینی مواد دیگر مثل نانو لوله های کربنی به جای سیلیکون استفاده کنند.این نانولولهها در سال 1991توسط یکی از محققان شرکت NEC ژاپن ، به نام سامیو ایجیما2 کشف شد ازآن پس تحقیقات زیادی پیرامون ساختار و کاربردهای این نانو لوله ها انجام گرفت.در این تحقیق سعی شده با بررسی و مدل سازی ترانزیستورهای اثر میدان مبتنی بر نانو لولههایکربنی پرداخته شده است.بزرگترین مشکل برای کاهش ابعاد ترانزیستورها، مسائل مربوط به اقتصاد است. هزینه ساخت به صورت نمایی در حال افزایش بوده و همزمان با افزایش نمایی تعداد ترانزیستورها در حال افزایش است.
.2 ساختارکلی نانولوله کربنی
همانطور که درشکل1 نشان داده شده است، نانولولههای کربنی از استوانههای توخالی که مولکولهای کربنی در آن به صورت شبکه کندوی عسل مرتب شده، هستند که ویژگیهای منحصر به فردی دارند و برای کاربردهایی مانند نانوالکترونیک، الکترونیک نوری مورد استفاده می باشند.
شکل -1استوانه توخالی نانو لوله کربنی
همانطور که شکل 2 نشان میدهد، ویژگیهای نانولولهها به ساختارشان وابسته بوده و با توجه به بردارکایرالیتی1 میتوانند به عنوان فلز یا نیمههادی عمل میکنند. اگر مولکولها به صورت دسته صندلی2 قرار گرفته باشند و زاویه 30درجه تشکیل داده باشند نانولوله خاصیت نیمههادی را دارد، در صورتی مولکول ها به صورت زیگ زاگ کنار یکدیگر قرار گرفته باشند و زاویه صفر درجه باشد خاصیت نانولوله به صورت فلزی میباشد.در صورتی که اگر این زاویه بین صفر تا 30 درجه باشد به صورت کایرال است و خاصیت نیمه فلز با ناحیه تخلیه بزگ دارد.به هدف تجسم بهتر، میتوان گفت که نانولولهی کربنی با غلتانده شدن یک ورقه گرافن مانند شکل 3 بدست میآیند.
شکل -2 ساختارهای مختلف نانو لوله های کربنی شکل -3 نانولوله تک دیواره
ساختار نواری نانولوله کربن را همچنین میتوان با استفاده از بردار کایرال که رابطه 1 توصیف نمود:
که در آن n و m اعداد صحیح و نشان دهنده کایرالیتی لوله و a1 و a2 بردارهای ثابتی از شبکه گرافن است. مقدار m و n نشان دهنده خاصیت نانو لولههای کربنی است که میتواند خاصیت نیمه هادی و یا فلزی از خود نشان دهد بر این اساس اگر n=m باشد نانو لوله کربنی خاصیت فلزی دارد. اگر n-m=3i باشد، که i مقدار صحیحی است، نانو لوله کربنی خاصیت نیمههادی با ناحیه تخلیه کوچک دارد و اگر n-m> 3i باشد، خاصیت نیمههادی با ناحیه تخلیه بزرگ دارد.
ویژگی دوم نانولولهها که ویژگیهای الکتریکی آنها را تحت تاثیر قرار میدهد، تعداد دیوارهها است که در شکل 4 نشان داده شده است. تفاوت اصلی بین نانولولهی تک دیواره و چنددیواره در اندازه قطر نانوتیوبها است.
