بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله ترانزیستور اثر میدانی با کانال نانولوله کربن با لحاظ کردن اشباع حاملها شبیهسازی شده است. تاثیر پارامترهایی مانند طول نانولوله، قطر نانولوله وسرعت اشباع حاملها بر مشخصات الکترونیکی ترانزیستور بررسی و تحلیل شده است. برای CNT-FET با لحاظ کردن اشباع حاملها، منحنی جریان-ولتاژ قبل و بعد از اشباع حامل رفتار متفاوتی از خود نشان میدهد. همینطور رفتار تک قطبی و Ambipolar ترانزیستور استخراج و بررسی شده است. بر اساس نتایج شبیهسازی، با کاهش طول نانولوله، افزایش قطر نانولوله و افازیش سرعت اشباع حامل-ها جریان درین افزایش مییابد.
-1 مقدمه
ترانزیستور اثر میدان از بلوکهای اساسی بیشتر مدارات مجتمع مدرن محسوب میشود. همه ی ترانزیستورها دارای سه جز گیت، درین و سورس هستند که با استفاده از یک کانال به الکترودها متصل میشوند. ماسفت یا ترانزیستور اثر میدانی فلز-اکسید- نیمههادی - MOSFET - شناختهشدهترین ترانزیستور اثر میدان در مدارهای آنالوگ و دیجیتال است. این نوع ترانزیستور اولین بار در سال 1925 میلادی معرفی شد که به دلیل نبود علم، ابزار و امکان ساخت بکارگیری این ترانزیستور با دشواری همراه بود و برای پنج دهه فراموش شد. در آغاز دهه 1970، با پیشرفت تکنولوژی بار دیگر نگاهها به MOSFET خیره شد و در ساخت مدارات مجتمع بکار گرفته شد
طبق قانون مور میزان پیچیدگی مدارهای میکروالکترونیک، حدودا هر دو سال دو برابر میشود .[2] معیار اندازهگیری این پیچیدگی نیز تعداد ترانزیستورها در واحد سطح است. بدین معنی که هر سال تراشههایی به بازار میآیند که تعداد ترانزیستورهای آنها در واحد سطح دو برابر دو سال گذشته بود. بنابراین کاهش مستمر اندازه و طول کانال MOSFET در دهههای گذشته خواستهی محققان بوده بطوریکه مدارات مجتمع مدرن دارای طول کانال چند ده نانومتر است. از نشانه-های این امر ترانزیستور با طول کانال 32 نانومتری شرکت اینتل در اواخر سال 2009 است
با توجه به کاهش مقیاس قطعات نیمه هادی و مدارات مجتمع تا میزان محدوده نانومتر، صنعت نیمه هادی با چالش-های زیادی روبرو خواهد بود. کاهش مقیاس موجب اثرات بیشتر کانال کوتاه، کنترل کمتر گیت، افزایش نمایی جریانهای نشتی، تغییرات شدید فرآیند و چگالی های توان غیرقابل مدیریت میشود.در طی سه دهه اخیر کاهش مقیاس تکنولوژی CMOS سرعت بالایی داشته است اما ممکن است به زودی به دلیل افزایش اثرات کانال کوتاه و محدودیتهای اتلاف توان به پایان برسد.
بنابراین تکنولوژیهای جایگزین برای ترانزیستورهای سیلیکون در حال کشف و بررسی می باشند. یک گزینه برای ترانزیستور به منظور داشتن امکان ادامه کاهش ابعاد و برای توسعه ساختارهای جدید، ترانزیستور اثر میدانی نانولوله کربن میباشد یکی از مطرحترین موضوعها در نانو تکنولوژی نانو لوله های کربنی هستند که در سالهای اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته اند و دلیل آن ابعاد بسیار کوچک ساختار منحصر به فرد و پتانسیل استفاده در بسیاری از تکنولوژیها است
نانولولههای کربن - - CNT ورقههای تاشدهی گرافیت هستند که به شکل استوانه در آمدهاند. خواص الکتریکی آنها به شعاع و اندازهی زاویهی محور آنها به شش ضلعی موجود در ساختار گرافیت وابسته است. بر اساس نتایج عملی و محاسبات تئوری، وجود دو نوع عمده نانولولهی هادی و نیمههادی را تأیید نموده اند. ویژگیهای منحصر به فرد نانولولهها توجه محققان را برای استفاده از آنها در صنعت الکترونیک جلب نموده است. رسانایی بالا - تقرباًی 8 برابر مس برای نانولولههای هادی - ، تحمل چگالی جریانهای زیاد، تحمل فشارهای مکانیکی زیاد، تغییر گاف انرژی با تغییر قطر نانولوله و انتقال تقرباًی بالستیک حاملهای جریان الکتریکی از این ویژگی ها میباشند. CNT ها دارای نسبت طول به قطر خیلی بالایی هستند زیرا طول آنها میتواند حتی به چند سانتی متر هم برسد در حالی که قطر آنها در محدوده نانومتر است.
از جمله معایب CNT-FET میتوان به اتصال شاتکی نانولولههای کربنی کانال و اتصال فلزی سورس و درین اشاره کرد. به وجود آمدن سدهای شاتکی در قسمت سورس و درین یک ترانزیستور باعث کاهش قابل ملاحظهای در جریان درین ترانزیستور میشوند. بنابراین، برای کارایی عملیاتی بالاتر CNT-FET، فلزهای مناسبی نیاز است که بتوانند در محل اتصال سورس و درین اتصال اهمی ایجاد کنند
در 1930 ادگار مفهوم اولیه ترانزیستور اثر میدانی را به ثبت رساند. سی سال بعد اولین نمونه توسط کانگ و آتالا تحقق عملی پیدا کرد. از آن زمان ترانزیستور اثر میدانی در مدارهای مجتمع جاسازی شدند و به عنوان مهمترین افزاره در صنعت الکترونیک ترقی یافت .[7] حدود نیم قرن است که تعداد ترانزیستورها در مدارهای مجتمع به ازای هر ماه تقریبا دو برابر میشود که گوردن مور برای اولین بار به این روند اشاره کرد. این روند که یک رفتار نمایی را دنبال کرده است به عنوان قانون مور مشهور است. مور تعداد اجزا و هزینه ساخت را برای مدارهای مجتمع بررسی میکند و نتیجه میگیرد که در هر زمان تکنولوژی رایج یک کمینه هزینه دارد که این کمینه با زمان در حال کاهش است در حالی که تعداد اجزا در مدار مجتمع در این کمینه ها در حال افزایش است.
یکی از اولین راهکارهای افزایش جریان در طراحی FET با کانال سیلیکونی، افزایش چگالی ناخالصی کانال و به دنبال آن افزایش هدایت انتقالی است. رابطهی معکوس بین قابلیت تحرک حامل و میزان چگالی ناخالصی نکته مهمی است که جریان را کاهش میدهد. از طرف دیگر افزایش چگالی ناخالصی کانال سیلیکونی باعث افزایش ولتاژ آستانه خواهد شد که امری نامطلوب است. بنابراین جایگزینی کانال سیلیکنی با نانولولههای کربن راهکاری کارگشا برای افزایش سرعت و کاهش حجم مدارات مجتمع میباشد.
از ویژگیهای مهم MOSFET نانولوله میتوان به توانایی کار در دمای اتاق، طول کانال خیلی کوچک، حساسیت شدید و توانایی بکارگیری در ولتاژ بسیار کم اشاره کرد. علاوه بر این طبق پیشبینی نقشه تکنولوژی بین المللی نیمههادی - ITRS - طول کانال ترانزیستور ماسفت تا سال 2025 باید به حدود 7/4 نانومتر برسد بطوریکه تا سال 2010 بیش از 2/3 بیلیون ترانزیستور در هر چیپ پردازنده استفاده شده است .[8] این کیفیت از مشخصات به این معنی است که پردازندههای سریع مبتنی بر نانولوله کربن، جانشین پردازندههای کم قدرت مبتنی بر سیلیکون است.
در آخرین پژوهشها در زمیه ترازیستورهای نانولوله کربنی، مدل مجتمعی بر اساس روش سورس مجازی ارائه شده است. در این مدل، منحنی جریان-ولتاژ، سرعت حاملها، وابستگی قابلیت تحرک حاملها به قطر نانولوله کربنی، پدیده کانال کوتاه وابسته به ابعاد ترانزیستور و خازن سیگنال کوچک ترانزیستور برای کانال کمتر از 10 نانومتر استخراج شده است. بر اساس نتایج این مقاله سرعت حاملها در این مدل 3.8×107 vm/s با استفاده از دیتای تجربی مربوط به کانال 15 نانومتری استخراج شده است
-2 مدلسازی ترانزیستور نانولوله کربنی
در مدلهای ترابرد کلاسیک، بر اساس قانون اهم میتوان سرعت متوسط حاملها را متناسب با میدان اعمال شده به آنها در نظر گرفت:
که v سرعت متوسط حاملها، قابلیت تحرک حاملها و F میدان اعمالی هستند. در تقریبهای عمومی، بعنوان یک ثابت در میدانهای الکتریکی کم لحاظ میشود. با افزایش میدان الکتریکی، بدلیل پدیدههای پراکندگی حاملها انرژی زیادی می-گیرند و نسبت به F ثابت نخواهد بود. در بسیاری از مواد، از رابطه پدیدارشناختی - 2 - تبعیت میکند:
در رابطه - - 2، 0 قابلیت تحرک حامل در میدان الکتریکی صفر و vs سرعت اشباع حامل تعریف میشوند.
برای محاسبه جریان از سه فرض ساده شونده: - 1 نانولولهها بدون آلایش و بصورت نیمههادی ذاتی هستند؛ - 2 تراز فرمی الکترود منطبق با وسط شکاف نوار نانولولههاست؛ - 3 ساختار نوار زیرنوارها تقریبا بصورت سهموی است، استفاده میشود. بنابراین ساختار نوار CNT بصورت زیر بیان میشود:
که VNT - x - پتانسیل نانولوله در نقطه x، k عدد موج، vF,m=9.35×107 cm/s سرعت فرمی نانولولههای فلزی، v=1 برای زیرنوار اول و v=2 برای زیرنوار دوم و نصف شکاف نوار نانولوله کربنی هستند. در این رابطه علامت منفی برای نوار ظرفیت و علامت مثبت برای نوار رسانش هستند.
خازن ترانزیستور با خازن گیت - Cg - بیان میشود که برای حالتی که طول گیت خیلی بزرگتر از ضخامت اکسید گیت باشد، چگالی بار بصورت زیر بیان میشود:
که Cg خازن گیت و Vg ولتاژ گیت هستند. بنابراین چگالی بار محلی بصورت زیر بیان خواهد شد:
که ضریب 4 برای تبهگنی زیرنوارها و اسپین، - k< - k> یعنی kهای بزرگتر - کوچکتر - از صفر، - ʽd - ʽs پتانسیل شیمیایی سورس - درین - هستند.بنابراین جریان افزاره با معادله زیر بیان میشود:
که v - k - سرعت الکترون استخراج شده از مدل اشباع سرعت است. در رابطه بالا فقط پایینترین تراز نوار رسانش و بالاترین تراز نوار هدایت در جریان شرکت دارند
-3 ساختار ترانزیستور CNT-FET
شکل 1 شماتیک ساختار ترانزیستور اثر میدانی با کانال نانولوله کربنی را نشان میدهد. در این ساختار اتصال گیت در زیر لایه دیالکتریک - بعنوان اکسید گیت - بصورت سبز رنگ مشخص است. نواحی سورس و درین با بایاس اعمالی Vd با رنگ نارنجی بر روی لایه دیالکتریک مشخص هستند. بین سورس و درین یک لایه نانولوله کربنی آبی رنگ نمایش داده شده است.
در شکل 1 - الف - شرایط Vg<Vd,Vs رژیم تک قطبی برقرار است که در این حالت فقط حاملهای اکثریت اهمیت دارند . در این حالت ولتاژ گیت کوچکتر از ولتاژ دو سر کانال CNT بوده و تجمع حفرهها را در کانال CNT شاهد هستیم. در این شرایط بایاسینگ، CNT رفتار یک نیمههادی نوع p را از خود نشان می-دهد. در این حالت کانال CNT رفتار مقاومتی از خود نشان می-دهد و انتظار داریم با افزایش ولتاژ درین -سورس جریان درین-سورس افزایش خواهد داشت. این رفتار خطی تا قبل از اشباع سرعت حاملها در کانال ادامه مییابد. در شکل 1 - ب - شرایط ، رژیم ambipolar برقرار است که در این حالت
رفتار حاملهای اقلیت و اکثریت بطور همزمان اهمیت دارد. در این حالت ولتاژ درین-سورس کوچکتر از صفر بوده و بنابراین ولتاژ درین منفی - تجمع الکترون نزدیک درین - و ولتاژ سورس مثبت - تجمع حفره نزدیک سورس - را در کانال CNT ترانزیستور شاهد هستیم. توزیع بار در گیت نیز بگونهای است که دو شرط Vg<Vs و Vd<Vg تامین شوند . در این رژیم جریان درین به حالت اشباع رسیده، با افزایش ولتاژ درین-سورس جریان ثابت است. با افزایش ولتاژ گیت جریان میزان حاملهای کانال افزایش یافته و در نتیجه جریان درین افزایش خواهد یافت.
