بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله با استفاده از مدل ترانزیستورهای اثر میدانی - CNFET - به دنبال روش تحلیلی برای تعیین پارامترهای تاثیرگذار در مدل سیگنال کوچک و بزرگ این نوع ترانزیستورها هستیم. در ابتدا CNFET بصورت یک جعبه سیاه مورد بررسی قرار گرفته است و در ادامه برای راستی آزمایی تخمین پارامترهای حاصل، از تحلیل رفتار فیزیکی قطعه و تاثیر پارامترهای استخراج شده بر روی این رفتار استفاده شده و روابطی برای تحلیل رفتار سیگنال بزرگ و کوچک این قطعه ارائه شده است. در انتها با توجه به روابط حاکم ارائه شده و رفتار فیزیکی ترانزیستورهای اثرمیدانی، برای تکمیل مدل سیگنال کوچک سیستم، روابط حاکم بر نویز این قطعه استخراج شده است.
-1 مقدمه
با مرور زمان و گسترش صنعت نیمه هادی، نقش قانون مور در این صنعت پررنگتر شد، به گونهای که تلاشهای گستردهای در راستای کاهش ابعاد ترانزیستورها انجام گرفت. در ادامه این بررسیها مواد مختلفی همچون گرافیت و نانولولههای کربنی ازگرافن اشتقاق شد. نانو لوله های کربنی از جمله موادی بودند که خواص مشترکی با مواد نیمهرسانا و رسانا داشتند
ترانزیستورها ی اثر میدانی مبتنی بر نانولوله های کربنی - CNFET - دارای عملکرد اولیه مشابهای با تکنولوژی MOS هستند. از آن جایی که الکترون ها فقط در نانو لولهها محبوس می باشند، موبیلیتی آنها برحسب رفتار شبه بالستیک در مقایسه با تکنولوژی MOS، افزایش مییابد.[2] راه اندازی سریعتر جریان، خازنهای ذاتی پایین، انعطاف دمایی بالا، محدود بودن خازن کوانتوم و پیوند کوالانسی قوی تر از جمله ویژگی های منحصر به فرد CNFET محسوب می گردد
در این مقاله پارامترهای شاخص طراحی و تحلیل نویز در CNFET مورد بررسی قرار داده شده است. در بخش 2 پارامتر های تاثیر گذار در CNFET و روابط حاکم برآنها بیان میشود. در بخش 3 بر اساس پارامتر های مطرح شده در بخش 2، مدلCNFET در قالب یک جعبه سیاه مورد شناسایی قرار میگیرد و راه حل دستی برای پیش بینی رفتار CNFET ارائه خواهد شد. در بخش 4، مدل فیزیکی قطعه بسط داده شده و با نتایج حاصل شده از بخش 3 مورد راستی آزمایی قرار میگیرد. همچنین، ضمن تکمیل نحوه رفتار سیگنال بزرگ CNFET، مدل سیگنال کوچک قطعه مورد بررسی قرار داده خواهد شد و در نهایت تحلیل نویز و تاثیر المانهای داخلی ساختار قطعه و نوع منابع نویز مورد بررسی و تحلیل قرار خواهد گرفت. در بخش 5 نیز نتیجه گیری ارائه خواهد شد.
-2 پارامترهای موثر در طراحی CNFET
ساختارCNFET مشابه ترانزیستور های اثر میدانی است با این تفاوت که کانال مرسوم ترانزیستور های اثر میدانی با تعدادی نانولوله کربنی جایگزین شده است . [5] شکل 1 نمای سه بعدی از ترانزیستورهای CNFET را نشان میدهد. کانالCNFET متشکل از نانو لوله ی کربنی از نوع نیمه رسانای ذاتی می باشد. پارامترهای D،W، N و S به ترتیب بیانکننده قطرCNT، پهنای گیت ترانزیستور ها، تعداد کانالهایCNTET و فاصله بین کانالها هستند . ارتباط پارامترهای بیان شده از طریق رابطه - 1 - برقرار میشود.
شکل :1 نمای سه بعدی از .CNFET
خازنها نقش عمدهای در ترانزیستور های اثر میدانی ایفا میکنند و بر روی پاسخ فرکانسی و سایر مشخصات آنها تاثیر گذار می باشند. به طور کلی درCNFETها خازن های موجود بین گیت و کانال از اهمیت بالایی برخوردار هستند. این خازنها شامل خارن اکسید - Cox - و خازن کوانتوم - Cq - می باشند. خازن کوانتوم در CNFETها بر خلاف ترانزیستور های اثر میدانی محدود و قابل محاسبه میباشد.
این بدان خاطر است که پتانسیل بیشتری بدلیل کاهش ابعاد CNFETها به نسبت کانال مرسوم ترانزیستور های اثر میدانی در سطح کانال قرار خواهد گرفت و آزاد سازی الکترون ها را دشوارتر خواهد نمود. برای محاسبه خازن کوانتوم یک ولتاژ سینوسی سوار شده بر ولتار DC به دو سر گیت و کانال اعمال می کنند .[6] میتوان خازن کوانتوم را از رابطه - 3 - محاسبه نمود.
خازن اکسید در واقع خازن الکترواستاتیک بین گیت و کانال است. دو نوع ولتاژ در محاسبات خازن اکسید نقش دارند: - 1 ولتاژ ناشی از کانال مجاور - Vadj - ، - 2 ولتاژ ناشی از اثر تصویر کانال در گیت . - Vimage - با توجه به [7] و با فرض بیشتر بودن پارامتر S از 20 نانومتر، ولتاژ ناشی از کانال مجاور - Vadj - قابل صرف نظر کردن است. بنابراین مقدار خازن اکسید از رابطه - 4 - قابل محاسبه است:
که در آن، h بیانکننده فاصله مرکز نانولوله کربنی تا گیت است.
-3 شناسایی رفتار پارامترهای موثر در طراحی CNFET
با توجه به توضیحات ارائه شده در بخش 2، پارامتر های موثر در رفتار CNFETها شامل تغییرات D، S و N می باشد. از این رو تشخیص نحوه رفتار CNFET به ازای شرایط مختلف برای طراحی از اهمیت بالایی برخوردار می باشد. شناسایی نحوه رفتار این پارامترها با توجه به مدلH-Spice ارائه شده در[5]، [8] مورد بررسی قرار گرفته است.
-1-3 بررسی اثر تغییر پارامتر N
ترانزیستورهای تک نانولوله - تک کانال - نمیتوانند با قطعات سیلیکونی رایج رقابت کنند. بنابراین تعیین تعداد نانولولههای کربنی به عنوان عامل مهم در تعیین جریان راهاندازی مطمئن برای بارهای خازنی تثبیت شده از اهمیت بالایی برخوردار است. در این راستا، ولتاژ درین در ناحیه اشباع ترانزیستورتثبیت شده و در حین تغییر ولتاژ گیت، پارامترN افزایش داده شد. با توجه به شکل 2، افزایش N به ازای یک ولتاژ مشخص، موجب افزایش جریان درین میشود. خروجی بوسیله روش حداقل مربعات به صورت - 5 - تقریب زده شده است.
در رابطه ی - 5 - ورودی - v - ، ولتاژ اعمال شده به گیت است که بین 0 تا 2 ولت تغییر میکند و خروجی، جریان درین است. همچنین k و v به ترتیب بیانکننده بردار ضرایب و ماتریس ورودی هستند. جریان خروجی تخمین زده شده با این روش از رابطهی - 6 - حاصل میشود.
شکل :2 تغییرات پارامتر N و تاثیر آن روی جریان .CNFET
در رابطهی - 7 - ، v'th و به ترتیب برابر با k1 و -k0/k1 میباشند. چنانچه تعداد کانالها m برابر شود، ضریب نیز m برابر خواهد شد. این در حالی است که v 'th نسبت به تعداد کانال بدون تغییر میماند. این حالت را میتوان به موازی شدن m کانال و درنتیجه m برابر شدن جریان نسبت داد. خطوط نقطه چین در شکل 2 حاصل از تقریب روش حداقل مربعات میباشند.
-2-3 بررسی اثر تغییر پارامتر S
در این قسمت مجدداً روش مطرح شده در قسمت 1-3 بهکار برده شده است. با کاهش پارامتر S - فاصلهی بین کانال ها - ، ولتاژ القایی از طرف کانال مجاور - Vadj - افزایش یافته و مقدار خازن اکسید نسب به رابطهی - 4 - کاهش مییابد. در واقع خازن اکسید بدست آمده از رابطهی - 4 - با خازنهای ناشی از کانالهای مجاور سری شده و خازن معادل کاهش مییابد. با توجه به شکل 3 حاصل از شبیه سازی با تغییر پارامتر S، هیچگونه تغییری نمیکند ولی ضریب با کاهش پارامتر S، کاهش مییابد. البته باید توجه داشت که به ازای S بزرگتر و مساوی 20 نانومتر جریان هیچ گونه تغییری نمی کند و در نتیجه و v 'th بدون تغییر باقی میمانند. تغییرات ضریب را به میتوان به تغییرات خازن اکسید نسبت داد. برای طراحی بهینه پیشنهاد می شود که S برابر با 20 نانومتر باشد تا جریان مستقل از هندسه و اثرات پارازیتی باشد.
-3-3 بررسی اثر تغییر پارامتر D
در صورتی که بردار کارلیتی به صورت Ch = - m,n - باشد، میتوان از رابطهی - 8 - قطر نانولوله کربنی را محاسبه نمود.
به دلیل عدم تفاوت در نانو لوله های کربنی نیمه رسانا به ازای قطر مشابه، برای بررسی روند تاثیر از نانولوله کربنی با بردار کارلیتی از نوع زیگزاگ استفاده شده است. تغییر قطر با تغییر شمارهی کارلیتی نانو لوله کربنی حاصل میشود که همین مسئله موجب مشاهده تغییراتی در تمام زمینهها میگردد. با افزایش قطر، خازن کوانتوم افزایش مییابد. همچنین افزایش خازن اکسید، طبق رابطهی - 4 - قابل پیش بینی میباشد.
با توجه به ارتباط بین قطر و ولتاژ آستانه در رابطهی - 2 - انتظار میرود که ولتاژ آستانه کاهش یابد. بنابراین مقدار v 'th با افزایش قطر کاهش می یابد. همچنین با توجه به زیاد شدن خازن، ضریب افزایش مییابد. نتایج شبیهسازی حاصل در قالب شکل4 نشان داده شده است. بنابراین پیشنهاد میشود که برای بالا بردن جریان و مقدار ترارسانایی از نانولوله های کربنی دارای قطر بیشتر استفاده شود.
-4 مدل سیگنال کوچک و سیگنال بزرگ
در این بخش ابتدا مدل سیگنال بزرگ مربوط به قطعه بیان خواهد شد. این کار با تطبیق رفتار فیزیکی قطعه در انتقال شبه بالستیک با نتایج شبیهسازی حاصل شده از بخش 3 انجام خواهد شد. در ادامه به بررسی مدل سیگنال کوچک قطعه و تحلیل و تاثیر نویز درآن خواهیم پرداخت.
شکل:3 تغییرات پارامتر S و تاثیر آن روی منحنی جریان - ولتاژ CNFET
شکل:4 تغییرات پارامتر D و تاثیر آن روی منحنی جریان - ولتاژ .CNFET
