بخشی از مقاله
خلاصه: ترانزیستورهاي اثرمیدانی ماسفتی نانولوله کربنی، یکی از ساختارهاي مطرح شده براي ترانزیستورهاي مبتنی بر نانولولههاي کربنی است. ساختارهاي مختلفی براي بهبود مشخصات الکتریکی این نوع ترانزیستورها ارائه شده است. متاسفانه، اکثر طرحهاي مطرح شده، بدلیل استفاده از نواحی اضافی، طول فیزیکی ترانزیستور را افزایش میدهند. در این مقاله، ساختاري پیشنهاد میشود که بدون افزایش طول ترانزیستور، مشخصات الکتریکی آن را بهبود میبخشد.
در ساختار پیشنهادي، ناحیه با چگالی بالا در سمت درین با یک ناحیه با چگالی خطی کمچگال و با همان اندازه جایگزین میشود. لذا، اتصال در سمت درین از نوع شاتکی خواهد بود. مشخصات الکتریکی ساختار پیشنهادي با استفاده از روش تابع گرین غیرتعادلی - NEGF - شبیهسازي شده و نتایج آن با ساختار متعارف ترانزیستور ماسفتی و با همان ابعاد مقایسه میشود. نتایج حاصل از این مقایسهها نشان میدهد که، ساختار پیشنهادي از رفتار خاموشی و کلیدزنی بهتري مخصوصا در جریانهاي روشنی کم برخوردار است و در نتیجه کاندیداي بسیار مناسبی براي کاربردهاي با توان پایینی میباشد.
- 1 مقدمه
براي غلبه بر محدودیت کوچکسازي ترانزیستورهاي سیلیکونی، مواد مختلفی به منظور جایگزین نمودن سیلیکون مطرح گردیده که نانولولههاي کربنی یکی از این مواد میباشند. به این ترتیب، تلاش زیادي به منظور ساخت ترانزیستورهاي مبتنی بر نانولولههاي کربنی که از مشخصات الکتریکی مطلوب برخوردار باشند انجام شده است .[1]-[3] ترانزیستورهاي اثرمیدانی با رفتار ماسفتی [4] - MOS-CNTFETs - و ترانزیستورهاي اثرمیدانی با کنتاکتهاي شاتکی [5] - SB-CNTFETs - دو ساختار مطرح از این نوع ترانزیستورها هستند.
ترانزیستور شاتکی با اتصال دو کنتاکت فلزي، به عنوان سورس و درین، به دو طرف یک نانولوله کربنی ذاتی ساخته میشوند. جریان درین-سورس با کنترل پهناي سدهاي شاتکی دو طرف بوسیله ولتاژ گیت-سورس کنترل میشود. اما در ساختار ماسفتی از دو ناحیه با چگالی زیاد در محل اتصال سورس و درین استفاده میشود. با استفاده از این دو ناحیه، اتصالهاي سمت سورس و درین اهمی شده و جریان مشابه یک ترانزیستور ماسفتی متعارف، با کنترل ارتفاع سد پتانسیل سمت سورس توسط ولتاژ گیت-سورس ایجاد میشود.
جریان روشنی زیادتر، نسبت جریان روشنی به خاموشی بیشتر و شیب زیرآستانه کمتر، از مزایاي این نوع ترانزیستورها در مقایسه با ترانزیستورهاي شاتکی است .[6] متاسفانه، فرآیند تونل زنی باند به باند - BTBT - جریان نشتی را در ولتاژهاي گیت-سورس خاموشی افزایش داده و عملکرد این نوع ترانزیستور را در زمان خاموشی با مشکل مواجه میکند .[7] کارهاي مختلفی براي رفع این مشکل انجام شده است که استفاده از دو ناحیه خطی [8] یا کمچگال [9] در دوطرف منطقه ذاتی کانال و استفاده از ساختارهاي دیگر بجاي منطقه ذاتی زیر گیت [10]-[12] نمونهاي از این روشها میباشد.
متاسفانه، بعضی از این روشها طول فیزیکی ترانزیستور را افزایش میدهند 9] ، [8 و ساختارهاي دیگر نیز رفتار کلیدزنی ترانزیستور را خراب میکنند .[10]-[12] در این مقاله، با اصلاح سادهاي که در ساختار ترانزیستور ماسفتی متعارف انجام دادهایم، ساختاري پیشنهاد میگردد که بدون افزایش طول ترانزیستور مشخصات خاموشی و کلیدزنی آن را نیز بهبود میبخشد. در ادامه در بخش 2، ساختار پیشنهادي و روش شبیه سازي و در بخش 3، نتایج شبیهسازي همراه با بحثهاي مورد نیاز ارائه میشود. در بخش 4، خلاصهاي از مطالب مطرح شده به عنوان بخش پایانی رائه خواهد شد.
– 2 ساختار پیشنهادي و روش شبیهسازي
چگالی نواحی با چگالی زیاد برابر 2×109 m-1 در نظر گرفته شده و از ساختار گیت کواکسیال استفاده شده است. همانطور که در شکل آمده، به جاي استفاده از یک ناحیه با چگالی زیاد در سمت درین از یک ناحیه با چگالی خطی و البته با چگالی کمتر استفاده شده است. این منطقه بصورت یک ناحیه جداکننده بین کنتاکتهاي گیت و درین عمل کرده و در نتیجه برخلاف ساختار ترانزیستورهاي شاتکی، اثر خازن پارازیتی بین این دو کنتاکت کاهش خواهد یافت. چگالی این ناحیه از 2×108 m-1 در سمت گیت بصورت خطی تا حالت ذاتی در سمت درین تغییر میکند.
در نتیجه کنتاکت بین کانال و فلز درین، از نوع شاتکی خواهد بود. بدلیل آنکه کنتاکت در سمت سورس از نوع اهمی و در سمت درین از نوع شاتکی است لذا، نام ساختار پیشنهادي را OS-CNTFET انتخاب کردهایم. تابع کار کنتاکت درین را بنحوي انتخاب کردهایم تا سطح فرمی درین را 0/15 eV بالاتر ته باند هدایت کانال در محل اتصال درین قرار دهد. تابع کار فلز گیت و سورس برابر با تابع کار نانولوله کربنی درنظر گرفته شده است.
در این تحقیق از نرمافزار رایگان MOSCNT که از سایت nanoHUB در دسترس است، استفاده شده است .[13] در این نرمافزار، معادله شرودینگر با استفاده از روال تابع گرین غیر تعادلی بصورت خودسازمانده با معادله پواسن حل میشود .[14] براي محاسبه همیلتونی نانولوله از روش بستگی قوي و با درنظر گرفتن نزدیکترین همسایگیها و فقط با در نظرگرفتن یک اربیتال pz براي هر اتم استفاده شده است .[15] براي کاهش حجم محاسباتی، از شبیهسازي در فضاي مد و تنها از دو زیرباند استفاده شده است .[16] نرمافزار MOSCNT براي شبیهسازي اتصالهاي اهمی نوشته شده است و براي استفاده در این تحقیق و در نظر گرفتن اتصال شاتکی باید اصلاح گردد. براي همین منظور از روال مطرح شده در [17] براي محاسبه انرژي خودي کنتاکت شاتکی استفاده است.
– 3 شبیه سازي و مقایسه
براي ارزیابی مشخصات انتقال ساختار پیشنهادي، مشخصات الکتریکی این ساختار در زمان روشنی، خاموشی و کلیدزنی با ساختار ماسفتی متعارف مقایسه خواهد شد. در ادامه از ساختارهاي آمده در شکل - 1 - استفاده شده است.
ولتاژ درین-سورهاي مختلف.
همانطور که در شکل مشخص است، ساختار پیشنهادي از رفتار خاموشی بهتري در مقایسه با ساختار متعارف ماسفتی برخوردار است. براي تشریح این رفتار، ساختار باند و تعداد الکترونها در واحد انرژي در طول ترانزیستور براي هر دو ساختار در شکل - 3 - آمده است. مطابق شکل، هر دو ساختار از جریان روشنی تقریبا یکسانی برخوردارند. دلیل این تساوي را از شکل - 1 - میتوان دریافت. همانطور که میدانیم، عبور جریان در ساختارهاي ماسفتی بر اساس انتشار حرارتی حاملها از روي سد پتانسیل تشکیل شده در سمت سورس کانال ایجاد میشود. طبیعی است که بدلیل یکسان بودن ساختارها در سمت سورس، تغییر محسوسی در مشخصات روشنی این دو ساختار مشاهده نشود.
براي ارزیابی رفتار کلیدزنی، تاخیر ذاتی - - و توان مصرفی در هر بار عمل کلیدزنی - PDP - در هر دو ساختار با یکدیگر مقایسه میشود. به این منظور از روابط مطرح شده در مرجع [18] استفاده شده است که در آن از رابطه زیر براي محاسبه این دو پارامتر استفاده شده است: که QON و QOFF کل بار داخل ترانزیستور در زمان روشنی و خاموشی است .[12] نقاط روشنی و خاموشی با استفاده از شکل - 2 - در نقاط VGS=VGS - ON - و VGS - OFF - = VGS - ON - -VDD بدست میآید. دقت شود که، اگرچه ولتاژ تغذیه مقدار مشخصس است اما اگر از مهندسی تابع کار گیت استفاده شود، جریان روشنی را میتوان یک متغیر مستقل در نظر گرفت. براي نمونه، به ازاي ولتاژ تغذیه 0/4 ولت، اگر VGS - ON - را در شبیهسازي 0/3 ولت در نظر بگیریم به مشکلی برنمیخوریم زیرا بااستفاده از تابع کار مناسب براي فلز گیت میتوان مقدار آنرا به 0/4 ولت رساند.
در شکل - 5 - و - 6 - ، مقایسه بین تاخیر ذاتی و توان مصرفی در هر بار عمل کلیدزنی بر حسب جریان روشنی براي هر دو ساختار مورد بررسی آمده است. هر دو شکل به ازاي مقدار 0/4 ولت براي ولتاژ درین-سورس رسم شدهاند. همانطور که در شکل میبینیم، رفتار کلیدزنی ساختار پیشنهادي از ساختار متعارف ماسفتی بهتر است. با نگاهی دیگر به شکل - 1 - در مییابیم که دلیل این بهبود کاهش خازن پارازیتی است که بدلیل میدانهاي نشتی بین کنتاکت گیت و منطقه درین ایجاد میشود.
در نتیجه حجم بارهایی که باید در زمان تغییر وضعیت از روشنی به خاموشی و یا برعکس در داخل ترانزیستور جابجا شوند، در ساختار پیشنهادي کمتر از ساختار ماسفتی است. در نتیجه براي یک مقدار مشخص براي جریان روشنی، مطابق روابط -1الف و ب، توان تلفاتی و تاخیر ذاتی در ساختار پیشنهادي کمتر از ساختار ماسفتی است. یکی دیگر از پارامترهاي کیفی مهم، نسبت جریان روشنی به خاموشی، ION/IOFF، است. این نسبت براي دو ساختار مورد بررسی در شکل - 7 - آمده است. این شکل نشان میدهد که این نسبت در ساختار پیشنهادي، به ویژه براي جریانهاي روشنی کوچکتر، بیشتر از ساختار ماسفتی است.
