بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به طراحی و شبیهسازی مدارهای فلیپ فلاپ سه سطحی با ترانزیستور نانولولهی کربنی میپردازیم. در طراحی مالتی پلکسر از ترانزیستورهای n-typt و p-type و دروازههای انتقالی برای تولید خروجی مورد نظر استفاده شده است. سپس با استفاده از این مالتی پلکسر پیشنهادی سه سطحی، یک فلیپ فلاپ سه سطحی با استفاده از دو مالتی پلکسر سه سطحی و یک گیت NOT سه سطحی ارائه شده در قسمت قبلی استفاده شده است. سپس یک مدار فلیپ فلاپ سه سطحی بدون طراحی NAND و مالتی پلکسر پیشنهاد میدهیم. در این مدار هنگامی که کلاک برابر "0" یا "1" است خروجی برابر d و اگر کلاک برابر " 2" باشد خروجی مقدار قبلی میباشد. این فلیپ فلاپ دارای مصرف توان uW 10 و این مدار دارای تاخیر بسیار کمتری نسبت به طرحهای قبلی میباشد و فقط ps 1 میباشد
-1 مقدمه
در سال 1965 گوردن مور پیشبینی کرد که تعداد ترانزیستورهای روی یک تراشه در هر دو سال، دو برابر خواهند شد. تولید کنندگان تراشه از کاهش ابعاد ترانزیستورها 1استفاده کردهاند تا تعداد ترانزیستورها را به صورت نمایی افزایش دهند، ولی کاهش ابعاد ترانزیستورها در تکنولوژی 2 CMOSبه زودی پایان خواهد یافت. درواقع موانعی مانند مسائل مربوط به قابلیت اطمینان، توان، افزایش هزینههای ساخت، محدودیتهای فیزیکی و اندازهی ترانزیستورها وجود دارد، همان بهرهگیری از فناوری نانو و قطعات الکترونیکی در مقیاس نانو است
کاهش ابعاد برای دستیابی به مدارهای مجتمع سریعتر و بزرگتر ضروری است. برای برخی کاربردها کاهش ابعاد این اجازه را میدهد که قطعات بیشتری روی یک تراشه مجتمع شوند. هدف نهایی از کاهش ابعاد، ساختن ترانزیستوری است که کوچکتر، سریعتر و ارزانتر بوده و توان کمتری مصرف کند. متاسفانه کاهش ابعاد ترانزیستور تا ابد ممکن نیست، ولی قطعات نانوالکترونیک این امکان را فراهم میآورند که وقتی ترانزیستورهای CMOS توانایی کاهش ابعاد ندارند، کاهش ابعاد تراشهها ادامه یابد. بسیاری از محققان عقیده دارند که این تغییر به سمت قطعات نانو الکترونیک خواهد بود.
در سال 1998 برای اولینبار از نانولولههای کربنی تک جداره و چند جداره که دارای خواص نیمهرسانایی بودند برای ساخت نانوترانزیستور استفاده شد .[ 4 ] برای ساخت این نانوترانزیستورها که آنها را ترانزیستور اثر میدانی با نانولولههای کربنی مینامند، نمیتوان از نانولولههای کربنی که خواص فلزی دارند استفاده کرد، چرا که این نانولولهها همواره رسانا هستند و ویژگیهای عملکردی ترانزیستورها را ندارند. یکی از ایدههایی که برای استفاده از خواص الکترونیکی نانو لولهها وجود دارد، استفاده از آنها به جای سیلیکون در مدارهای الکترونیکی است و بسیاری از مشکلاتی را که سیلیکون در مدارها ایجاد میکرد، ایجاد نخواهند کرد. معایب المان های سیلیکونی، پژوهشگران را به فکر جایگزینی مواد جدیدی به منظور استفاده در مدارهای الکترونیکی انداخت
در این مقاله در ابتدا به بررسی و شبیهسازی ترانزیستور نانولولهی کربنی میپردازیم و مشخصههای دی سی آن را بررسی میکنیم. نشان میدهیم که با تغییر بردار کایرال و یا قطر نانولوله، ولتاژ آستانهی آن تغییر میکند و از این خاصیت برای طراحی مدارهای سه سطحی یا مبنای 3 استفاده میکنیم. در مرحلهی بعد به طراحی مدارهای فلیپ فلاپ در مبنای 3 با ترانزیستور نانولولهی کربنی خواهیم پرداخت و طرحهای پیشنهادی را ارائه میکنیم. شبیه سازی را با نرم افزار HSPICE انجام داده و همچنین از مدار جامع ترانزیستور نانولولهی کربنی که از دانشگاه استنفورد گرفته شده است، برای شبیه سازی استفاده میگردد.
-2 معرفی سیستم
ساختار ترانزیستورهای معمولی دارای دو پایانهی سورس و درین است که در فناوری کنونی یک لایهی سیلیسیومی اتصال بین آنها را برقرار میکند؛ اما در ترانزیستورهایی که با نانولولههای کربنی ساخته میشوند، این اتصال توسط یک نانولولهی کربنی که خواص نیمهرسانایی دارد برقرار میشودو میتواند همانند همان ترانزیستور سیلیسیومی همچون یک کلید عمل کند و مدارات الکترونیکی را بسازد 3]و.[6 ترانزیستورها بر پایهی نانولولههای کربنی از یک نانولولهی کربنی تک دیواره به عنوان مادهی کانال استفاده میکنند. الکترود کنترلی گیت در ناحیه ی هدایت کانال واقع شده و با استفاده از لایهی نازکی از عایق - ×اکسید گیت - از آن جدا شده است.
-3 نتایج شبیه سازی
1؛-3 شبیه سازی ترانزیستور نانو لوله کربنی
در این مقاله ترانزیستور نانولولهی کربنی را شبیهسازی میکنیم .نانو لوله کربنی تک دیواره میتواند به عنوان یک ورقه گرافیک - شبکه شش ضلعی کربن - که به صورت یک استوانه لوله شده است در نظر گرفته شود، که نوعاً دارای چند نانومتر قطر و چند میکرومتر طول است. بسته به جهت چرخش و لوله شدن ،SWNT ها میتوانند خواص الکترونیکی مختلفی داشته باشند. هر ساختار هندسی میتواند با بردار پیرامونی خود، توسط دو عدد صحیح سازنده n2 - ، - n1 تعریف شود.دراین مثال یک نانولوله4 - ، - n ,m - = - 2 تولید میشود [2]و سپس با استفاده از نشان دادن فرآیند لوله کردن به صورت بردارهای - - a1 , a2 و بردار رابطه - 1 - که در آن n2 و n1 اعداد صحیح هستند رادر نظر می گیریم
نانولوله میتواند فقط با تغییرات n2، n1 از فلز یا نیمه فلز به نیمههادی تبدیل شود. نانولولهها برای n1=n2 فلزی هستند، برای n1 n2 3 j که در آن j عدد صحیح غیرصفر باشد نیمه فلزند، و برای سایر مقادیر n1 n2 3 j 1 که در آن j یک عدد صحیح است، نیمه هادی میباشند. در نتیجه، یک سوم از SWNT ها فلزی یا نیمه فلزی هستند و دو سوم دیگر با باند انرژی درحدود یک الکترون ولت، نیمه هادی هستند.
بدین گونه طول Ch که محیط پیرامون نانولوله کربنی خواهد بود از رابطه - 2 - بدست می آید:
نانولولههای تکدیواره بسته به اعداد کایرال n2 - ، - n1 به یکی از سه نوع زیر دسته بندی می شوند.
- 1 - آرمچیر - - n 1= 2 ، n1=0 - - 2 - یا - n2=0 زیگزاگ - - 3 تمامی دیگر شاخص ها.
قطر نوعی نانولوله ها حدود چند نانومتر است و میتوان دید که با تغییر n1 و n2 میتوان قطر آنرا تغییر داد که در این تحقیق این کار در نرم افزار HSPICE انجام شده است .خصوصیات ولتاژ جاری ترانزیستور نانوتیوب کربنی شبیه به MOSFET میباشد. ولتاژ آستانه، ولتاژ مورد نیاز برای روشن کردن ترانزیستور میباشد. ولتاژ آستانه ذاتی کانال CNT میتواند به صورت تقریبی زیر بهدست آید که نسبت عکس با قطر نانو لوله دارد و توسط رابطه - 4 - مشخص می شود
که a= 2.4 A فاصله بین دو اتم کربن میباشد، 3.033ev V انرژی پیوند کربن در مدل اتصال سخت میباشد،که e واحد شارژ الکترون میباشد و DCNT، قطر CNT میباشد. بنابراین با تغییر قطر نانولوله، ولتاژ آستانهی آن تغییر خواهد کرد. در ابتدا n1=10 و n2=0 در نظر گرفته میشود. با این مقادیر قطر نانولوله برابر 24 آنگستروم یا 2,4 nm بهدست میآید. به ازای این مقدار، نمودار ولتاژ-جریان ترانزیستور مطابق شکل1 میشود. میتوان دید که ولتاژ آستانه حدودا برابر 0,55 V است و حداکثر جریان برابر 12 uA میباشد. شکل 2 نمودار ولتاژ جریان را به ازای n1=10 و n2=10 نشان میدهد. با این مقدار، قطر نانولوله برابر 4,15 nm میگردد. میتوان دید که تغییر قطر نانولوله تاثیر بسیار زیادی بر عملکرد ترانزیستور دارد
