بخشی از مقاله
شبیه سازی ترانزیستور اثر میدانی نانوسیم سیلیکنی تونلی با گیت فراگیر و تحلیل آن
خلاصه
در این مقاله مطالعاتی بر روی ترانزیستور اثر میدانی نانوسیم سیلیکنی تونلی با گیت فراگیر انجام شده است. ابتدا منحنی جربان درین سورس بر حسب ولتاژ گیت سورس ترانزیستور اثر میدانی نانوسیم سیلیکنی تونلی به ازای مقادیر مختلف دما بدست آمده است که برای انجام این کار از روش NEGF یا تابع غیر تعادلی گرین استفاده کرده ایم. سپس تغییر قطر کانال نانوسیم به عنوان راهکاری برای بهبود کارایی ترانزیستور مورد نظر ارائه می شود. با تحلیل نتایج بدست آمده خواهیم دید که هر چقدر قطر کانال ترانزیستور اثر میدانی نانوسیم تونلی کاهش یابد، سرعت کلیدزنی آن افزایش خواهد یافت.
کلمات کلیدی: ترانزیستور اثر میدانی، نانوسیم سیلیکنی تونلی، اثر قطر کانال
1. مقدمه
کوچک سازی ترانزیستورها نقش بسیار مهمی در مدارهای مجتمع دارد. با کوچک سازی ترانزیستورهای اثرمیدانی سیلیکنی مشکلات اثرات کانال کوتاه، کاهش نسبت جریان روشنایی به خاموشی و بسیاری مشکلات دیگر که افزاره ها با آن روبرو می شوند پیش می آید. یکی از افزاره های مناسب برای جلوگیری از این مشکلات ترانزیستور های اثر میدانی تونلی هستند که در سال های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته اند .[1-2] ترانزیستورهای اثر میدانی تونلی انتخاب های مناسبی برای جایگزینی ترانزیستورهای اثرمیدانی فلز اکسید نیمه هادی می باشند. مصرف توان در این افزاره ها بسیار کم بوده و از ویژگی های مطلوب این افزاره، داشتن شیب زیر آستانه کم و همینطور نسبت جریان روشنایی به خاموشی بالا می باشد .[3]
در طراحی ترانزیستور اثر میدانی نانوسیم تونلی باید به عواملی مانند جنس مواد، ولتاژ تغذیه، شکل سطح مقطع کانال، قطر کانال نانوسیم و سایر عواملی که شیب زیر آستانه را کاهش می دهد توجه شود .[4] در [5]ترانزیستور نانوسیم تونلی مورد بررسی قرار گرفته و پارامترهایی مانند شیب ناحیه ی زیر آستانه (SS)، نسبت جریان روشنایی به جریان خاموشی ( ) و حساسیت دمایی جریان مورد بررسی قرار گرفته است و نتایج نشان می دهد که ترانزیستور اثر میدانی نانوسیم تونلی جریان خاموشی پایین داشته و در نتیجه سرعت کلید زنی در این افزاره بالاست، همچنین شیب زیر آستانه در این افزاره نسبت به ساختار های قبل مقدار کمتری دارد. در [6] جنس دی الکتریک گیت برای ترانزیستور اثرمیدانی نانوسیم تونلی سیلیکنی مورد بررسی قرار گرفته است. به این صورت که یک ساختار ترانزیستور اثر میدانی نانوسیم سیلیکنی تونلی نوع p با الگوی آلایش p-i-n با 3 اکسید گیت مختلف ، و مورد بررسی قرار گرفته شده و نتایج نشان می دهد که افزاره ای که از به عنوان دی الکتریک گیت استفاده می کند، بهترین عملکرد را دارد.
در ترانزیستورهای اثرمیدانی فلز اکسید نیمه هادی به دلیل محدودیت در کوچک سازی، تلفات توان موجب محدودیت عملکرد افزاره می شد که در ترانزیستور اثر میدانی نانوسیم تونلی این موضوع تا حدودی حل شده و به همین علت نسبت به ترانزیستورهای اثرمیدانی فلز اکسید نیمه هادی برتری داشته و یک افزاره مطلوب به شمار می آید .[6]
به دلیل هندسه یک بعدی، نانوسیم ها می توانند کنترل گیت بهتری از کانال، با دستیابی به محدودیت ظرفیت خازنی کوانتمی ارائه دهند. با توجه به تعداد و موقعیت ناخالصی ها در سورس ترانزیستورهای اثرمیدانی نانوسیم تونلی، میدان الکتریکی که سد تونل زنی از سورس به درین را مشخص می کند، از افزاره ای به افزاره دیگر تغییر خواهد کرد. به دلیل اینکه جریان تحریک یک ترانزیستور اثر میدانی تونلی به طور نمایی به میدان الکتریکی در ناحیه تونلی وابسته است، این در تغییرات تصادفی از جریان تحریک بین افزاره های یکسان نتیجه می شود. برای ترانزیستور های نانوسیم سیلیکنی، توزیع ناخالصی گسسته تصادفی در نواحی سورس-درین اثرات ناشی از تغییرات را با استفاده از شبیه سازی های انتقال کوانتمی آشکار می کند. افزایش قطر نانوسیم و کاهش چگالی ناخالصی موجب کاهش جریان روشنایی در ترانزیستور اثر میدانی نانوسیم نیمه هادی می شود .[7]
2. افزاره و روش شبیه سازی
در این کار بررسی روی یک ترانزیستور اثر میدانی نانوسیم سیلیکنی تونلی نوع n و الگوی آلایش درین بخشنده با سطح آلایش1,5 1019، آلایش سورس پذیرنده با سطح آلایش 5 10 18 و کانال ذاتی با سطح آلایش 1 10 10 که قطر کانال نانوسیم 2,5 نانومتر، ضخامت اکسید گیت 1نانومتر، طول گیت 15 نانومتر، طول سورس و درین هر کدام 10 نانومتر، با بایاس درین0,4 ولت انجام شده است، شماتیک این ترانزیستور در شکل (1) نشان داده شده است.
ترانزیستور های اثر میدانی نانوسیم تونلی می توانند مانند فرآیند ساخت ترانزیستور اثر میدانی فلز اکسید نیمه هادی ساخته شوند، با این تفاوت که در ترانزیستور اثر میدانی تونلی نوع آلایش در سورس و درین مخالف هم است. مکانیزم انتقال در این ترانزیستور ها به صورت تونل زنی نوار به نوار می باشد. ترانزیستورهای اثرمیدانی تونلی، دیودهای گیت شده p-i-n یا پیوند های p-n هستند. گیت در امتداد کل منطقه ذاتی در ساختار p-i-n اجرا می شود.[8] این افزاره ها بر دو نوع کلی n و p هستند. در نوع n سورس ترانزیستور دارای آلایش ، کانال دارای آلایش بسیار کم یا نوع ذاتی و درین نیز آلایش دارد.[2] برای اینکه ترانزیستورهای اثرمیدانی نانوسیم نیمه هادی تونلی بتوانند عمل کنند، لازم است که سورس ترانزیستور به زمین وصل شده و برای افزاره نوع n بایاس مثبت به درین اعمال شود. در غیاب ولتاژ گیت، همانطور که در شکل (2) با خط چین نشان داده شده است، عرض سد تونلی بین سورس و ناحیه ذاتی به اندازه ای بزرگ است که به حامل ها اجازه تونل زنی نمی دهد و در نتیجه ترانزیستور خاموش می ماند و تنها جریان نشتی بین سورس و درین جاری است. از طرفی، طبق شکل (2) و خط قرمز اگر بایاس گیت مثبت اعمال شود، نوار ها در ناحیه ذاتی پایین می آید و سد پتانسیل بین سورس و ناحیه ذاتی باریک شده و بنابراین تونل زنی از نوار ظرفیت سورس به نوار هدایت کانال تشکیل شده و جریان روشنایی ایجاد می شود.[9]
در ترانزیستورهایی که طول کانال آنها در حدود 10 نانومتر است، نرم افزارهای شبیه سازی کمی نیازمند مدل های مکانیکی کوانتمی در سطح اتمی هستند که روش NEGF یا تابع غیر تعادلی گرین، اساس توسعه این گونه شبیه ساز هاست. افزاره های انتقال یک بعدی مثل ترانزیستور های نانوسیم تونلی با استفاده از نرم افزار های بر اساس NEGF شبیه سازی می شوند. ساختار الکترونی و جریان تونلی بین سد پتانسیل در ترانزیستور های نانوسیم تونلی توسط روش NEGF با استفاده از روش نزدیک ترین اتم همسایه محاسبه می شود .[10-11] در این روش فرآیند خود سامانده برای شبیه سازی مکانیکی کوانتمی ترانزیستور نانوسیم به این ترتیب است که ابتدا یک ساختار ترانزیستور نانوسیم خاص ارائه می دهیم، سپس برای شروع یک حلقه خودسامانده لازم است ابتدا یک حدس اولیه برای پتانسیل در نظر گرفته شود. برای پتانسیل داده شده می توانیم همیلتونین افزاره را بدست آوریم. با اطلاعات بدست آمده از مراحل بالا تابع گرین ارزیابی شده و ماتریس چگالی محاسبه می شود. با بدست آوردن چگالی الکترون در ترانزیستور نانوسیم معادله پواسن به روش خود سامانده حل می شود. در آخر نیز با همگرا شدن پتانسیل خود سامانده و ماتریس چگالی، جریان ترانزیستور نانوسیم محاسبه خواهد شد .[1]
3. نتایج شبیه سازی
ما در این کار نمودار جریان درین سورس بر حسب ولتاژ گیت سورس ترانزیستور اثر میدانی نانوسیم تونلی را برای بازه دمایی مشخص(100، 150، 200، 250 و 300 درجه کلوین) توسط روش NEGF بدست آورده ایم. شکل (3) اثر دما روی مشخصه جریان درین سورس بر حسب ولتاژ گیت سورس ترانزیستور مورد نظر را نشان می دهد، همانطور که در نمودار شکل (3) مشخص است هرچقدر دما افزایش یابد، جریان ترانزیستور نیز افزایش می یابد.
در این کار نسبت جریان روشنایی به خاموشی ترانزیستور اثرمیدانی نانوسیم سیلیکنی تونلی را مورد بررسی قرار داده ایم که بیانگر سرعت کلیدزنی بوده و هر چه این مقدار بیشتر باشد نشان دهنده سرعت بیشتر کلیدزنی می باشد که مطلوب تر است. یکی از مزیت هایی که ترانزیستور های اثر میدانی نانوسیم تونلی دارند، کاهش جریان خاموشی و در نتیجه افزایش نسبت جریان روشنایی به خاموشی در مقایسه یا ترانزیستور های اثر میدانی نانوسیم است. شکل (4) نمودار نسبت جریان روشنایی به خاموشی در دماهای مختلف برای ترانزیستور مورد نظر، با مشخصات ذکر شده را نشان می دهد. همانطور که در شکل (4) مشخص است، با افزایش دما نسبت کاهش می یابد. این به دلیل شیب تغییرات بیشتر جریان خاموشی نسبت به دما، در مقایسه با شیب تغییرات جریان روشنایی نسبت به دما است و علت این است که وقتی ترانزیستور در حالت روشنایی است، مقاومت کانال مانع از تغییرات زیاد جریان با دما شده و چون در حالت خاموشی مقاومت کمتر است، به همین دلیل جریان می تواند تغییرات بیشتری با افزایش دما داشته باشد. مقدار نسبت جریان روشنایی به خاموشی در این حالت برابر 5,368×106 در دمای 300 درجه کلوین بدست آمده است.
