بخشی از مقاله
چکیده
برای نخستین بار، در این مقاله یک ترانزیستور اثر میدانی تونلی مبتنی بر نانو لولهی کربنی - T-CNTFET - با همپوشانی ناحیه گیت - درین و کاشت هاله در ناحیه کانال - OVH-T-CNTFET - پیشنهاد شده و با استفاده از روش تابع گرین غیر تعادلی - NEGF - خصوصیات الکتریکی افزاره شبیه سازی شده است. در این ساختار جدید ناخالصی ناحیه درین به ناحیه کانال نفوذ کرده و مقداری با گیت همپوشانی دارد و از طرف دیگر یک هالهایی در سمت سورس ناحیه کانال قرار داده شده است، کاشت هاله جریان تونل زنی در سمت سورس را کنترل میکند و باعث افزایش جریان حالت روشنی - ION - میگردد و همپوشانی ناحیه گیت / درین باعث کاهش جریان حالت خاموشی - IOFF - می گردد.
نشان داده شده است که در صورتی طول ناحیه همپوشانی به طور بهینه انتخاب شود به طور قابل توجهی عملکرد افزاره بهبود مییابد. نتایج حاصله نشان میدهد که ساختار فوق دارای جریان حالت روشنی بسیار بیشتر و جریان حالت خاموشی بسیار کمتری نسبت به ساختار متداول دارد و لذا نسبت جریان - ION/IOFF - را به طور قابل توجهی افزایش میدهد.. علاوه بر این ساختار پیشنهادی باعث افزایش سرعت کلیدزنی میشود ضمن آنکه اثر حاملهای داغ و اثرکاهش سد با القاء درین - DIBL - را کاهش میدهد.
-1 مقدمه
با توجه به سرعت رو به رشد فن آوری ساخت ادوات ترانزیستوری و از طرفی محدودیت کوچکسازی ترانزیستورهای اثر میدانی فلز-اکسید-نیمه رسانای سیلیکونی - MOSFET - مواد مختلفی برای جایگزینی سیلیکون پیشنهاد شده است از میان تمامی این مواد نانو لولههای کربنی مناسب ترین جایگزین برای سیلیکون است 2]و.[1 پس از کشف نانو لولههای کربنی توسط سامیو ایجیما در سال 1991 بررسی زیادی بر روی این ساختارها انجام شده است این ساختارها به دلیل خواص منحصر به فرد مکانیکی و الکتریکی که از خود نشان داده اند کاندید مناسبی برای سیلیکون و ترکیبات آن در قطعات الکترونیکی است. نانولوله های کربنی برای کاربردهای نانو الکترونیک به علت خاصیتهای الکتریکی عالی آنها بسیار جذاب میباشند.
در یک نانو لوله انتقال میتواند در بایاس کم و نزدیک بالستیک رخ دهد. خاصیت هدایت الکتریکی آنها تقریبا منحصر به فرد است و انرژی گپ آن ها شدیدا به قطر دایره اش بستگی دارد . ضخامت اتمی نانو لولهها باعث میشود که گیت کنترل راحتی بر ناحیه کانال داشته باشد. ساخت نانو لولهها با قطرهای بسیار کوچک امکان ساخت ترانزیستورهایی با طول کانال کمتر از 5 نانو متر را فراهم میکند.
یکی از افزاره های امیدوار کننده که می تواند جایگزین خوبی برای تکنولوژی CMOS باشد ترانزیستورهای اثر میدانی نانو لوله کربنی تونلی میباشد. به ویژه برای کاربردهایی با توان کم مناسب است که یک راه حل جدید برای کاهش توان مصرفی می باشد . [5 ] در این ساختارها هر دو جریان ION و IOFF از طریق تونل زنی باند به باند برقرار میگردد. نشتی زیر آستانه یکی از عوامل مهمی در افزایش توان مصرفی حالت آماده به کار در مدارات CMOS است که در ساختارهای تونلی به دلیل ماهیت جریان آنها دارای نوسان زیر آستانه بسیار مناسبی هستند به طوری که نوسان زیر آستانهی این افزارهها کمتر از محدوده تئوری - 60 mV/dec - است. ساختارهای تونلی از جریان Ambipolar نامناسب رنج میبرند و از جریان ION کمی بر خوردار هستند.
علاوه بر این اثرات کانال کوتاه مانند اثر DIBL هنگامی که طول کانال کاهش می یابد رخ می دهد، زیرا با کاهش طول کانال ولتاژ درین-سورس میدان الکتریکی بزرگی تولید میکند که باعث کاهش سد پتانسیل در ناحیه کانال می شود و باعث برقراری جریان بین سورس و درین میشود این جریان حتی زمانی که ولتاژ گیت صفر است نیز اتفاق می افتد و باعث ایجاد جریان نشتی و افزایش توان مصرفی می شود
روشهای مختلف بسیاری برای جبران ضعف های ترانزیستورهای اثر میدانی تونلی - T-FET - پیشنهاد شده است. کاشت هاله در ناحیه کانال برای تغییر دیاگرام باند انرژی T-FET متداول [8] - PNPN - ، به کارگیری دو فلز با توابع کار مختلف همراه با دو اکسید با ثابت دیالکتریک مختلف DMG- - [9] - DGTFET ، سه فلز با توابع کار مختلف به عنوان گیت در T-FET متداول [10] - BC-TFET - ، مهندسی کردن ثابت دی الکتریک گیت [11] و در برخی مقالات مانند مرجع [5] سعی شده است تا با استفاده از همپوشانی ناحیه گیت و درین عملکرد T-CNTFET را بهبود دهند.
با وجود ساختارهای مختلفی که پیشنهاد شده است هنوز مشکلات این افزاره ها به طور کامل حل نشده و همچنان باقی مانده است. برای حل مشکلاتی مانند کاهش رفتار Ambipolar ، افزایش جریان اشباع، افزایش نسبت جریان، کاهش اثرات کانال کوتاه، کاهش نوسانات زیر آستانه، افزایش سرعت ترانزیستور و افزایش فرکانس قطع، در این مقاله با استفاده از ترکیب نوعی خاص از همپوشانی ناحیه گیت / درین و کاشت هاله در سمت سورس ناحیه کانال یک ساختار جدید پیشنهاد شده است در این ساختار جدید بر خلاف ساختار پیشنهاد شده در مرجع [5] که فلز گیت به ناحیه درین نفوذ کرده در این ساختار دوپینگ ناحیه درین به ناحیه کانال نفوذ کرده است، به این قضیه توجه شده است که در مقیاسهای نانو متری، تولید افزارههایی با کانال بدون همپوشانی و مشخصه کامل دوپینگ بسیار پیچیده و گاهی اوقات غیر ممکن است
به همین جهت اثر همپوشانی ناحیه گیت / درین به صورت کاملا مهندسی انتخاب شده است بنابراین در این مقاله یک ترانزیستور اثر میدانی تونلی مبتنی بر نانو لوله کربنی جدیدی پیشنهاد شده است که در آن از اثر همپوشانی ناحیه گیت و درین به طور بهینه استفاده شده که باعث افزایش کارایی این افزارهها میشود. در این ساختار ناخالصی ناحیه درین به ناحیه کانال نفوذ کرده و یک هاله در سمت سورس ناحیه کانال قرار داده شده است. در ساختار پیشنهادی قرار دادن هاله در سمت سورس ناحیه کانال باعث افزایش جریان اشباع میشود و همپوشانی گیت / درین جریان نشتی حالت خاموشی را کاهش می دهد. ساختار جدید را ترانزیستور اثر میدانی تونلی مبتنی بر نانو لولهی کربنی با همپوشانی ناحیه گیت / درین و کاشت هاله - OVH-T-CNTFET - نام گذاری شده و با ساختار متداول در طول کانال های مختلف مورد مقایسه قرار گرفته است.
شبیه سازیها بر پایه حل دو بعدی - 2D - معادلات پواسون- شرودینگر با استفاده از فرمالیسم تابع گرین نامتعادل - NEGF - بنا شده است . در ادامه ساختار پیشنهادی معرفی و روش شبیه سازی توضیح داده میشود. در بخش سوم ، نتایج شبیه سازی ارائه و بحث خواهد شد و در بخش چهارم با نتیجه گیری به پایان میرسد.
-2 ساختار پیشنهادی و روش شبیه سازی
ساختار متداول و پیشنهادی در شکل 1 نشان داده شده است. طول ناحیه کانال در هر دو ساختار 20 نانو متر در نظر گرفته شده است. ناخالصی ناحیه سورس در هر دو ساختار از نوع p+ و اندازه آن 1 بر نانو متر است. ناخالصی ناحیه درین در هر دو ساختار از نوع n+ میباشد و اندازه آن 1 بر نانو متر است. طول هر یک از نواحی سورس و درین 30 نانو متر است، ناحیه درین در ساختار پیشنهادی مقداری همپوشانی با ناحیه کانال دارد که طول این همپوشانی بسته به طول کانال متغییر است. از یک نانو لوله کربنی زیگزاگ 0 - ، - 13 به عنوان کانال استفاده شده است. لایه دیالکتریک از جنس HFO2 با ضریب دیالکتریک k= 16 و ضخامت 2 نانو متر انتخاب شده است. هاله ناحیه کانال از نوع n+ می باشد و طول هاله ناحیه کانال در ساختار پیشنهادی به طور ثابت 5 نانو متر انتخاب شده است و میزان ناخالصی این هاله 1 بر نانو متر است.
در این مقاله برای شبیه سازی از نرم افزار MOSCNT1.0 استفاده شده است.[13] در این نرم افزار معادله شرودینگر با استفاده از روال تابع گرین غیر تعادلی - NEGF - به صورت خود سازگار با معادله پواسون حل می شود. برای محاسبه همیلتونی نانو لوله ها از روش بستگی قوی و با در نظر گرفتن یک اوربیتال pz برای هر اتم استفاده شده است. برای کاهش حجم محاسباتی از شبیه سازی در فضای مد و تنها از دو زیر باند استفاده شده است .[2]
شکل-1 برش عرضی - a - ساختار متداول و - b - ساختار پیشنهادی.
-3 نتایج شبیه سازی
برای یافتن طول همپوشانی بهینه ما ابتدا باید در کانالی با طول ثابت، همپوشانی با طولهای مختلف را انتخاب کنیم. سپس در این حالات جریانهای ION و IOFF تست کرده و در هر طول همپوشانی که منجر به افزایش ION و کاهش IOFF شود و در نتیجه باعث بیشترین نسبت جریان - ION/IOFF - شود طول همپوشانی بهینه انتخاب میشود. جریان ION تحت بایاس VGS=VDS= 0/4 V و جریان IOFF تحت بایاس VDS=0/4 V و VGS= 0 V اندازه گیری شده است. جدول 1 طول همپوشانی بهینه ناحیه گیت - درین را در کانالهایی با طول مختلف نشان میدهد.
