بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به بررسی عملکرد بالستیک ترانزیستورهاي اثر میدانی نانو نوار مبتنی بر گرافن ، سیلیکن و ژرمانن پرداخته ایم.شبیه سازي ها در حالت بالستیک و با استفاده از روال تابع گرین غیر تعادلی - NEGF - و در فضاي مد صورت گرفته است. نتایج حاصله نشان می دهد که ترانزیستور اثر میدان نانو نوار گرافنی داراي نسبت جریان روشنی به خاموشی بالاتر و توان مصرفی کم تر و تاخیر زمانی بیشتر و بازاي کاهش ولتاز گیت داراي جریان تونل زنی کم تري نسبت به ترانزیستورهاي اثر میدان نانو نوار سیلیکنی و ژرماننی می باشد.
-1 مقدمه
فن آوري نانو، نقطه ي همگرایی علوم مختلف در آینده است. در این میان یکی از پرکاربردترین شاخه ها، نانوالکترونیک می باشد. امروزه افزایش ظرفیت ذخیره داده، افزایش سرعت انتقال آن و کوچک کردن هرچه بیشتر وسائل الکترونیکی، به خصوص ترانزیستورها داراي اهمیت بسیاري می باشد. زیرا کوچکتر شدن ابعاد وسائل الکترونیکی علاوه بر افزایش سرعت پردازش، توان مصرفی را نیز کاهش می دهد و نانوالکترونیک می تواند در رسیدن به ابعاد هرچه کوچکتر، راهگشا باشد. .[1]هرچند کوچک شدن این ابعاد مزایاي خاص خود مانند سرعت بیشتر افزاره را به همراه دارد، ولی سبب شده است آثار و پدیده هاي کوانتومی خود را نشان بدهند. بنابراین کوچک تر شدن افزاره ها با فن آوري حاضر ساخت به سهولت امکان پذیر نیست.
محدودیت هاي فیزیکی که پیش روي فن آوري سیلیکونی قرار دارد، نیاز به افزاره هاي نانو الکترونیک جدید و فن آوري هاي نوین ساخت را روز به روز بیشتر میکند. علاوه بر فن آوري هاي جدید مبتنی بر سیلیکون، افزاره هاي مولکولی و افزاره هاي کربنی مبتنی بر نانولوله کربنی و نانونوار گرافنی، گزینه هاي مناسبی براي صنعت الکترونیک آینده به نظر می رسند. گرافن از موادي است که مدت زمان زیادي از کشف آن نمیگذرد. این ماده تمام پتانسیل هاي لازم را براي اینکه بتواند جایگزین سیلیکون در صنعت تولید ادوات نیمه هادي شود را دارا است.
خواصی که همانند نانولوله ي کربنی در بسیاري از موارد بسیار بهتر از سیلیکون می باشد. گرافن ماده اي سخت تر از الماس، رساناتر از مس و با شفافیتی بالا است که می تواند به بسیاري از عرصه هاي علم و فن آوري نفوذ کند.[2]مشکلی که در ارتباط با این ماده وجود دارد این است که شکاف انرژي گرافن صفر بوده و نمی توان آن را به صورت مستقیم در ادوات الکترونیکی مانند ترانزیستورها استفاده نمود. با محدود کردن گرافن در یک جهت و درست کردن نوارهاي باریکی از آن در ابعاد نانو، میتوان بر این مشکل فائق آمد. این نوارها نانونوارهاي گرافنی نام دارند و به عنوان کانال در ترانزیستورهاي اثر میدانی مورد استفاده قرار میگیرند..[ 3 ]
گرافن نام یکی از آلوتروپ هاي کربن است و بصورت یک شبکه دو بعدي - 2D - از اتم هاي کربن است که در یک پیکربندي شش ضلعی به هم متصل شده اند اما المان هاي دیگر گروه چهارم جدول تناوبی عنصرها از قبیل سیلیسوم و ژرمانیوم هم داراي ساختمانی شبیه تک لایه هاي شانه عسل - لانه زنبوري دو بعدي - پایدار می باشند که شبیه به ساختمان گرافن است و به انها سیلیکن و ژرمانن گفته می شود و می توانند در ادوات الکترونیکی استفاده شوند. [4] اگر ساختاري مشابه گرافن ایجاد گردد. به طوري که در آن ساختار به جاي اتم کربن ،اتم سیلیسیم یا ژرمانیوم قرار بگیرد به ان ساختار،سیلیکن یا ژرمانن گفته می شود این دو ماده شباهت ساختاري زیادي با گرافن دارند.
اما تفاوت بسیار جدي این دو ماده با گرافن ،اختلاف بین باندگپ آنها است.سلیکن و ژرمانن در حالت عادي داراي باند گپ بوده ولی گرافن داراي باند گپ صفر است. باندگپ ویژگی بسیار مهمی در الکترونیک نیمههادي دارد. به وسیله باندگپ، الکترونها میتوانند میان سطوح انرژي جهش کنند. با این کار میتوان عبور الکترون از میان یک ماده را کنترل و سوئیچ کرد.[ 6,5 ]بنابراین استفادهاز نانوار هاي سیلیکنی و ژرماننی در کانال ترانزستورهاي اثر میدانی می تواند نتایج مناسبی بر روي پارامترهاي این مدل ترانزیستورها داشته باشد.
در این مقاله ما با استفاده از روش تابع گرین نامتعادل، عملکرد این افزاره ها بررسی می کنیم. بنابراین ابتدا به بررسی عملکرد ترانزیستورهاي اثر میدانی نانو نوار گرافنی،پرداخته و سپس ماده کانال را با سیلیکن و ژرمانن تعویض کرده و پارامترهاي مهم این ترانزیستورها را با هم مقایسه می نماییم در ادامه در این مقاله ساختار شبیه سازي شده بررسی می شود و روش شبیه سازي به اختصار بیان می شود و در بخش سوم نتایج شبیه سازي ارائه و بحث خواهد شد و در انتها مقاله با نتیجه گیري به پایان خواهد رسید.
-2 ساختار ترانزیستور پیشنهادي و روش شبیه سازي
ساختار ترانزیستور شبیه سازي شده در شکل - 1 - آمده است .در این ساختار نانو نوار گرافن بین دو لایه اکسید قرار گرفته است و در دو طرف آن سورس و درین قرار دارند گیت پشتی باعث کنترل چگالی حامل ها در نانو نوارکانال می گردد و گیت بالایی، با کنترل پتانسیل کانال ترانزیستور باعث تغییر مقدار جریان درین می شود . براي تمام نمونه هاي این بخش دماي کار ترانزیستور 300 درجه کلوین در نظر گرفته شده است. طول گیت، سورس، درین و کانال هرکدام 10 نانومتر می باشد. براي اینکه نانونوار گرافن آرمچیر از نوع نیمه هادي باشد، تعداد اتم هاي عرض را 12 اتم انتخاب نموده ایم. ثابت دي الکتریک اکسید گیت k=16 با ضخامت 1.5 نانو متر انتخاب شده سات و VDS=0.4vمی باشد.در هرمرحله پارامترهاي مختلف را براي نانونوار گرافن،سیلیکن و ژرمانن آرمچیر از نوع نیمه هادي بررسی می کنیم.
در این راستا براي بررسی افزاره ي مورد نظر ابتدا با استفاده از مدل تنگ بست، هامیلتونین افزاره را بدست می آوریم سپس با استفاده از فرمولاسیون تابع گرین نامتعادل که ابزاري مناسب براي شبیه سازي افزاره هاي نانو میباشد، به محاسبهي پارهاي از مشخصه ها می پردازیم. براي بدست آوردن ویژگی هاي ترانزیستور، معادلات پواسن و شرودینگر را به صورت خودسازگار حل می نمائیم که براي حل معادلات شرودینگر از روش تابع گرین نامتعادل استفاده میکنیم.
