بخشی از مقاله
چکیده
مقیاس پذیری به منظور افزایش عملکرد و چگالی قطعات ، تکنولوژی سی موس را با محدودیت های فیزیکی و ذاتی مواجه میسازد. افزایش جریان نشتی ، توان مصرفی بالاتر و اثر تونل زنی نمونه هایی از این محدودیت ها میباشد. یکی از راه حل های جایگزین این تکنولوژی ، استفاده از فناوری نانو لوله های کربنی است. نانولوله کربنی CNT یکی از فن آوری های نو ظهور در زمینه نانوتکنولوژی است که نشان دهنده ی بهره وری بالا و طیف بسیار گسترده ای از برنامه های کاربردی در بسیاری از حیطه های مختلف علم و فن آوری است.
به کارگیری این فناوری در صنعت نانو الکترونیک موجب دستیابی به مداراتی با سرعت بالا ، امکان چگالی مجتمع سازی بالا، توان مصرفی پایین و ... میگردد. یکی دیگر از موارد استفاده نانو لوله های کربنی گیت های منطقی از جمله NAND ، NOR، XOR، اینورتر ، نیم جمع کننده و تمام جمع کننده است در این مقاله یک سلول تمام جمع کننده توان پایین با استفاده از ترانزیستورهای نانولوله کربنی اثر میدان1 ارائه گردید و نتایج شبیه سازی با استفاده از HSPICE بر اساس مدل CNTFET در تکنولوژی 32 نانومتری در مقادیر مختلف دما و VDD انجام شد.
مقدمه
با گذر زمان و پیشرفت علم و تکنولوژی نیاز بشر به کسب اطلاعات و سرعت پردازش و ذخیره سازی آنها به صورت فزایندهای بالا رفته است. گوردن مور در سال 1965 نظریهای ارائه داد مبنی بر اینکه در هر 18 ماه تعداد ترانزیستورهایی که در هر تراشه به کار میرود دو برابر شده و اندازه آن نیز نصف میشود.
این کوچک شدگی نگرانیهایی را به وجود آورده است. بر اساس این نظریه در سال 2010 باید ترانزیستورهایی وجود داشته باشد که ضخامت اکسید گیت که یکی از اجزای اصلی ترانزیستور است به کمتر از یک نانومتر برسد. در راستای همین تحقیقات گروه دیگری از دانشمندان به بررسی نیترید سیلیکون به عنوان نامزد جدیدی برای اکسید درگاه پرداختند و نشان دادندکه این ماده می تواند جایگزین مناسبی برای اکسید سیلیکون باشد.
جهت تولید ترانزیستورهای نسل امروز احتیاج به دانشی داریم که بتوانیم در ابعاد نانو تولیدات صنعتی از تراشهها را داشته باشیم. بنا بر این توجه جوامع علمی و اقتصادی جهان بر این شاخه از علم که به فن آوری نانو معروف است، جلب شده است. در این بین نانولولههای کربنی به دلیل خواص منحصر به فرد الکتریکی و مکانیکی که از خود نشان داده اند توجه بسیاری از دانشمندان را به خود جلب کرده اند.
تمام جمع کننده یکی از بخش های حیاتی از واحد منطقی و ریاضی است . بنابراین، ارائه سلول تمام جمع کننده توان پایین ، مصرف توان کل مدار را کاهش می دهد. همچنین، با استفاده از ترانزیستورهای نانو، به دلیل ویژگی های منحصر به فرد خود باعث صرفه جویی در مصرف انرژی و سطح تراشه خواهد شد. ارائه ی یک طراحی بهینه از این عنصر موجب کمک قابل توجهی به بهبود پارامترهای خروجی اینگونه مدارات میشود.
در این مقاله سعی میشود جمع کننده ای طراحی شود که دارای شاخص توان مصرفی پایین، تاخیر و PDP کاهش یافته نسبت به تکنولوژی سی موس باشد ، این جمع کننده با استفاده از ترانزیستور های نانو لوله کربنی پیاده سازی میشود در این راستا از نرم افزار HSPICE برای شبیه سازی بهره گرفته میشود.
ساختار نانولوله های کربنی
نانو لوله های کربنی توسط ایجیما در سال 1991 زمانی که در حال انجام بعضی از آزمایشات بر روی ساختار مولکولی متشکل ازکربنیم 2 بود، کشف شد .[5] نانولوله های کربنی استوانه متشکل از یک یا چند لایه متحدالمرکز از اتم های کربن در یک آرایش شبکه ی لانه زنبوری هستند. می توان آن را در طبقه بندی لوله های تک جداره کربن نانو3 و لوله چند جداره کربن نانو4 نمایش داد.
شکل : 1 دیاگرام شماتیک از یک ترانزیستورهای نانولوله کربنی اثر میدان
اولین ترانزیستور نانولوله کربنی اثر میدان در سال 1998 ایجاد شد - شکل - 1 این ساختار شامل ویفر سیلیکون است که با نواری از اکسید سیلیکون ضخیم پوشیده شده و سپس الکترود هایی از جنس طلا یا پلاتین بر روی آن با استفاده از تکنیک تولید استاندارد نیمه هادی نشانده میشود. تک نانولوله های کربنی به عنوان یک کانال بین دو ناحیه ی الکترود درین وسورس قرار میگیرد . ناحیه ی زیر ویفر سیلیکون، به شدت با تزریق ناخالصی آن را به یک رسانای خوب تبدیل میکند، که به عنوان الکترود گیت شناخته میشود .
استفاده از ولتاژ مناسب به الکترود گیت نانولوله را روشن یا خاموش میسازد. از نظر مکانیزم عمل دستگاه، ترانزیستور نانولوله کربنی اثر میدان می توانند به صورت سد شاتکی5 کنترل شده با فت6 یا همان - SB-CNFET - یا ماسفت های شبیه فت طبقه بندی کرد.
هدایت در نوع SB-CNFET توسط تونل زنی حامل های اکثریت و کنترل آن از طریق سد های شاتکی در پایان تماس انجام میشود ترانزیستور نانولوله کربنی اثر میدان یکی از دستگاه های مولکولی هستند که مهم ترین جایگزین ان هستند. بنابراین یک ترانزیستور نانولوله کربنی نیمه هادی برای استفاده به عنوان کانال اثر میدانی به دلیل محدودیت ترانزیستور های سیلیکون در سرعت بالستیک یا نزدیک بالستیک در کانال انتقال از اساسی مناسب است. با ولتاژ اعمال شده به گیت - تغییر چگالی الکترونی در کانال - میتوان هدایت الکتریکی کربن نانو لوله ها7 را کنترل کرد قطر نانو لوله از رابطه 1 محاسبه میشود.
- 1 - ولتاژ آستانه با قطر نانولوله رابطه عکس دارد که در رابطه - 2 - نشان داده شده است.
بنابراین، با تغییر قطر نانولوله می توان ولتاژ آستانه و همچنین، میتوان رفتار ترانزیستورها را تعریف کرد.
طراحی جمع کننده مورد نظر
در این مقاله سلول تمام جمع کننده با استفاده از ترانزیستور نانولوله کربن اثر میدان در تکنولوژی 32 نانومتر را طراحی میکنیم.شماتیک این مدار بر اساس طراحی در شکل2 نشان داده شده است.
شکل :2 طراحی تمام جمع کننده مورد نظر با استفاده از ترانزیستور نانولوله کربن اثر میدان
نتایج شبیه سازی
نتایج شبیه سازی در جداول - - 1، - 2 - و - 3 - نشان داده شده است. این نتایج شبیه سازی با استفاده از HSPICE بر اساس مدل ترانزیستور نانولوله کربن اثر میدان در تکنولوژی 32 نانومتر انجام شده است. جداول - - 1، - 2 - و - 3 - نشان دهنده توان، نتایج تاخیر و PDP در مقادیر مختلف دما و ولتاژ است همانطور که در جداول - - 1، - 2 - و - 3 - نشان داده شده است ، توان و PDP با رشد ولتاژ افزایش یافته اما با رشد دما تغییری نخواهد داشت. پارامتر تاخیر با افزایش ولتاژ کاهش می یابد. در نهایت ما نتایج شبیه سازی با این سلول تمام جمع کننده با طرح های پیشین با VDD=0,65V مقایسه میکنیم
جدول 1 نتایج مصرف توان برای مقادیر مختلف VDD ودما - * -
همانگونه که از جدول 1 مشاهده می شود در یک ولتاژ تغذیه ثابت با افزایش دما توان مصرفی افزایش می یابد و همچنین در یک دمای ثابت افزایش ولتاژ تغذیه منجر به افزایش توان مصرفی میگردد که افزایش از مورد اول چشمگیرتر است.
جدول 2 نتایج تاخیر برای مقادیر مختلف ولتاژ و دما - * -
جدول 2 بیان میکند که افزایش ولتاژ تغذیه و یا افزایش دما منجر به کاهش تاخیر مدار طراحی شده می گردد.
یکی از مهمترین معیار ها برای مقایسه گیت های منطقی با یکدیگر حاصلضرب تاخیر در توان - PDP - می باشد در جدول ذیل این پارامتر برای دما ها و ولتاژهای تغذیه متفاوت آورده شده است.
جدول 3 نتایج PDP برای مقادیر مختلف VDD و دما - * -
در ادامه برای ارزیابی عملکرد جمع کننده مورد شبیه سازی ، به مقایسه آن با طرح های پیشین پرداخته می شود بدین ترتیب جدول 4 مقایسه نتایج این نتایج را نشان می دهد.
جدول 4 مقایسه نتایج با طرح های قبلی
نتیجه گیری
با تحقیقات فراوان پیشرفت چشمگیری در بهبود عملکرد ترانزیستورهای اثر میدان مبتنی بر نانولوله های کربنی صورت گرفته است . با توجه به اهمیت تکنولوژی این گونه ترانزیستورها و نقش بسزای آن ها در پیشرفت مدارات مجتمع ، هرگونه تحقیق در این زمینه ضروری به نظر می رسد . اگر چه استفاده از نانولوله های کربنی برای تولید مدارات مجتمع بسیار جالب و جذاب است ، اما محدودیت هایی هم در این راه وجود دارد ، برای مثال نانولوله های تولید شده به صورت ترکیبی از انواع نیمه هادی و فلز است و روش مشخصی تاکنون برای جداسازی آن ها بیان نشده است . به هر حال هرگونه پیشرفت و ترقی در شناخت و توسعه فیزیکی و شیمیایی نانولوله باعث ساخت و تولید ترانزیستورهای نانولوله ای و در نتیجه مدارات منطقی با مشخصات مطلوب تر می گردد.
این مقاله شامل طراحی یک سلول تمام جمع کننده با استفاده از ترانزیستور نانولوله کربنی اثر میدان توان پایین می باشد در این مقاله از تعداد کمتری ترانزیستور نسبت به طرحهای پیشین بهره گرفته شد این امر موجب کاهش سطح تراشه و به دنبال آن کاهش هزینه میگردد نتایج شبیه سازی با استفاده از نرم افزار HSPICE بر اساس مدل ترانزیستور نانولوله کربن اثر میدان در تکنولوژی 32 نانومتری در مقادیر مختلف ولتاژ های تغذیه و دما انجام گرفت . نتایج شبیه سازی بیانگر این موضوع هستند که تمام جمع کننده مورد نظر از لحاظ پارامترهای مهم در مدارات دیجیتال نسبت به سایر طرح ها عملکرد مناسب تری را به نمایش میگذارد.
