بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله ابتدا با بررسی ترانزیستور اثر میدانی نانو سیم نیمه هادی مستطیلی با گیت فراگیرو شبیه سازی آن و تعیین مقادیر بهینه برای مشخصه های طول گیت، غلظت ناخالصی و ارتفاع فین پرداخته شده است و منحنی مشخصه هدایتانتقالی برای مقادیر بهینه شده ترسیم شده است و در نهایت با ارائهی ساختار پیشنهادی برای ترانزیستور اثر میدانی نانوسیم نیمه هادی مستطیلی با گیت فراگیر که در گیت آن از دو ماده ی آلومینیوم و پلی سیلیکان در مجاورت هم استفاده شده است، ساختار ماسفت دو گیتی، شامل دوگیت روی عایق و یک کانال هدایتیمعمولاً - بدون ناخالصی یا با ناخالصی کم - است که این کانال به وسیلهی الکترودهای گیت در هر دو طرف احاطه شده است و در این ادوات وظیفهی کنترل جریان را هر دو گیت برعهده دارند شبیه سازی گردیده و مشخصه هدایت انتقالی آن ترسیم گردیده که بهبود قابل توجهی را نشان میدهد.
مقدمه:
ترانزیستور ماسفت در سال 1952 اختراع گردید. اما ماسفت دو گیتی در سال 1984 برای غلبه بر محدودیتهای کوچک کردن ترانزیستورها توسط تیسکیگاوا و وای هاباشی ساخته شد. در سال 1999 نوع جدیدی از ساختارهای فت به نام ماسفت با گیت دو مادهای dual material gate معرفی شد که در گیت این ساختار از دو ماده با تابع کار متفاوت استفاده میشود. چنانچه طول کانال کمتر از 20nm شود، ماسفت به بیش از یک گیت برای کنترل جریان درین نیاز دارد.
به دلیل مزایای کوچک کردن ترانزیستورها از جمله صرفه اقتصادی و عملکرد بهتر آنها به دلیل بالارفتن قابلیتهای فرکانسی و کاهش خازنهای پارازیتی تلاشهای بسیاری برای کوچک سازی ترانزیستورها انجام گرفته است. در طول چندین دهه کوچک کردن CMOSیک چالش برای صنعت نیمههادی به حساب میآمده است که هدف اصلی آن افزایش سرعت مدارات بوده است
تکنولوژیهای مختلفی برای حفظ قانون کوچک سازی به وسیله گوردن مور پیشنهاد شده است. این ساختارها شامل: DGMOSFET , DMG,dual material surrounding gate mosfet هستند. در میان این ادوات در حال ظهور ماسفتهای دو گیتی یکی از مهمترین این ادوات به حساب میآید. در نتیجه ماسفت دو گیتی - DOUBLE GATE - MOSEFT برای غلبه بر این محدودیتها پیشنهاد گردید.
یک نانووایر یک کانکتور با قطر 1nm، یا نانوساختارهایی با قطر 20nmو یا کمتر استو بنابراین بسیار کوچک میباشد. این کانکتورها همچنین با سیم های کوانتومی نیز معروف هستند و برای اتصال دادن قطعات بسیار کوچک در مدارهای خیلی کوچک استفاده می شوند. عرض این نانو سیم ها کمتر از یک دهم نانومتر می باشد. آنها نمیتوانند تا ارتفاع بیشتر از چند نانومتر رشد کنند اما محدودیتی برای رشد عرضی آنها وجود ندارد. نانووایرها هنوز در مرحله ی تحقیق و تجربه هستند و هنوز به مرحله ی تجاری یا صنعتی نرسیده اند اندازه ی بسیار کوچک و قابلیت هدایت آنها، نانووایر ها را برای پردازنده های کامپیوتری آینده مورد توجه قرار می دهد. با کنترل شکل، ساختار کریستالی، اندازه و میزان ناخالصی، این نانوساختارها می توانند عملکرد متفاوتی در قطعات مختلف داشته باشند.[3]
نتایج:
در این تحقیق برای بهبود مشخصه هدایت انتقالی ازساختار گیت دو ماده ای استفاده شده است. در اینجا قسمتی از گیت فین فت از پلی سیلیکان و قسمتی دیگر را از آلومینیوم تشکیل شده است. ساختارماسفت دو گیتی، شامل دوگیت روی عایق و یک کانال هدایتی - معمولاً بدون ناخالصی یا با ناخالصی کم - است که این کانال به وسیلهی الکترودهای گیت در هر دو طرف احاطه شده است و در این ادوات وظیفهی کنترل جریان را هر دو گیت برعهده دارند. از نظر ساختار، ماسفت های دو گیتی میتوانند متقارن یا نامتقارن باشند. در ماسفتهای نامتقارن گیتها با ولتاژهای متفاوت بایاس میشوند، قطر اکسیدگیت ها میتواند متفاوت باشد و یا مواد متفاوتی برای گیتها مورد استفاده قرار گیرد.
یکی دیگر از زمینههای تحقیقاتی در ترانزیستورها در حال حاضر، مهندسی گیت است که به دلیل سادگی مورد توجه قرار گرفته است. در ماسفتهای دو گیتی نیز استفاده از دو ماده برای گیت برای بهبود برخی پارامترهای ترانزیستور جایگاه ویژهای یافته است. در گیتهای دو مادهای، دو مادهی متفاوت با توابع کار مختلف، به صورت جانبی به هم متصل میشوند در نتیجه توزیع میدان الکتریکی در کانال نسبت به گیتیک مادهای یکنواختتر میشود و سرعت حامل ها هنگام ورود از سورس به کانال افزایش مییابد که این باعث بهبود جریان الکتریکی در ترانزیستور میگردد.
در اولین مرحله به بررسی طول کانال پرداخته ایم که با توجه به نتایج شبیه سازی های انجام شده با افزایش طول گیت،شیب زیر آستانه ،جریان روشن و جریان خاموش کاهش و ولتاژآستانه افزایش پیدا میکند.با مقایسه نتایج شبیهسازی شده برای طول گیت های محتلف نقطه ی بهینه را 20nm انتخاب کرده و مشخصه هدایت انتقالی مورد بررسی قرار گرفت.شکل - - 1 نمودار هدایت انتقالی بر حسب ولتاژ گیت را نشان میدهد. می توان دید که ماکزیمم هدایت انتقالی برابر 1/4ms می باشد. برای رسم این شکل از نمودار ولتاژ - جریان ترانزیستور مشتق گرفته شدهاست که این کار به ازای یک ولتاژ درین ثابت انجام شده است.
شکل - 1 - نمودارهدایت انتقالی بر حسب ولتاژ گیت
با در نظر گرفتن طول گیت 20nmبه بررسی میزان ناخالصی پرداخته شد که با افزایش غلظت ناخالصی،شیب زیر آستانه کاهش یافت و جریان روشن و جریان خاموش نیز کاهش داشت ولی ولتاژآستانه شدیدا افزایش پیدا کرده که در واقع با افزایش میزان ناخالصی ولتاژبیشتری برای ایجاد ناحیهی وارون لازم استکه به همین دلیل ولتاژآستانه افزایش می یابد
با توجه به این نتایج غلظت ناخالصی بهینه1e17 در نظر گرفته شده است و هدایت انتقالی به صورت زیر مورد بررسی قرار گرفته است،طبق شکل - 2 - هدایت انتقالی بهبود یافته است و به 2 ms رسیده است. دلیل این افزایش اندک افزایش جریان روشن میباشد. در ساختار بهینه شیب زیر آستانه به 0/15 رسیده است به همین دلیل مشتق جریان که همان هدایت انتقالی میباشد، افزایش یافته است.
شکل - - 2نمودار هدایت انتقالی بر حسب ولتاژ گیت
حال به بهینه کردن ارتفاع فین می پردازیم در اینجا طول گیت20nmو غلظت ناخالصی 1e17در نظر گرفته میشود با افزایش ارتفاع فین، شیب زیر آستانه افزایش می یابد که مطلوب است در واقع با کاهش ارتفاع فین اثرات کانال کوتاه افزایش پیدا میکندبا توجه به نتایج شبیه سازی نقطه ی بهینه 30nm میباشد
