بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله به طراحی نوسانساز کنترل شده با ولتاژ از نوع حلقوی با ترانزیستور اثر میدان نانولوله کربنی می پردازد. شبیه سازی با استفاده از مدل CNTFET ارائه شده توسط دانشگاه استنفورد انجام شده است. برای مقایسه ، این نوسانساز با استفاده از دو مدل پیشگوی 0,25 um و90 nm در تکنولوژی CMOS نیز شبیه سازی شده است. نتایج شبیه سازیها با استفاده از نرم افزار hspice نشان میدهد که شکل موج خروجی نوسانساز طراحی شده با تکنولوژی CNTFET نسبت به تکنولوژی CMOS دارای فرکانس نوسان بسیار بالا - بیش از 90 گیگاهرتز - می باشد و توان مصرفی بهبود قابل توجهی یافته است.
.1مقدمه
با پیشرفت تکنولوژی CMOS و مدارهای مجتمع - VLSI - به سمت مقیاسهای کوچکتر در حد نانو، غیر ایده آل بودن ابزار گوناگون و عدم پیش بینی برخی مسائل باعث شد که مشخصه ولتاژ-جریان ماسفتها از حالت خوب قبلی فاصله بگیرد و بهبود بیشتر کارایی ترانزیستورها و مدارها با کاهش طول دروازه مشکلتر شود. از این رو بسیاری از محققان به دنبال تکنولوژی های جایگزین یا مکملی مانند ترانزیستورهای تک الکترونی، ترانزیستورهای دوگیتی FinFET، ترانزیستورهای اثرمیدان نانولوله کربنی و...برای ادامه ی پیشرفت شاخص های کارایی هستند.
در این میان ترانزیستورهای نانولوله کربنی - CNTFET - بدلیل ویژگیهای الکترونیکی و مکانیکی منحصر به فرد، به عنوان امید بخش ترین مکمل یا جایگزین تکنولوژی CMOS مطرح هستند. علت این امر ساختار یک بعدی - 1-D - و انتقال جریان نزدیک به پرتابه ای این ترانزیستورها است .>1@ از طرفی، در اکثر کاربردها به نوسانسازهایی نیاز داریم که دارای خروجی قابل تنظیم باشند. امروزه در طراحی نوسان ساز ها باید به دنبال گستره های فرکانسی بالاتر بود، زیرا با پیشرفت صنعت طیف فرکانس مورد استفاده در وسایل الکترونیکی و مخابراتی بیشتر می شود، به همین خاطر در طراحی این نوسان ساز ها مبادله ای بین توان مصرفی نوسان ساز و دقت فرکانس تولیدی در خروجی آن وجود دارد.
در این مقاله قصد داریم پس از بررسی ساختار نوسان سازها ، به طراحی نوسان ساز کنترل شده با ولتاژ از نوع حلقوی بپردازیم بطوری که علاوه بر داشتن اندازه ی کوچک در ابعاد نانو، توان مصرفی پایین و فرکانس بالایی داشته باشد. تکنولوژی مورد استفاده در این تحقیق، تکنولوژی ترانزیستور نانولوله ی کربنی میباشد و اسیلاتور طراحی شده در این تکنولوژی با استفاده از نرم افزار hspice شبیه سازی خواهد شد. فرکانس مرکزی اسیلاتور طراحی شده سعی می شود که به بیش از 90 گیگاهرتز برسد.
نانولوله های کربنی
نانولوله ها به دو دسته تک جداره - SWNT - و چند جداره - MWNT - تقسیم می شوند. نانو لوله ی تک جداره نیز بر حسب آرایش اتم های کربنی مقطع لوله به سه دسته مهم دسته صندلی، کایرال و زیگزاگ تقسیم می شوند. - شکل . - 1 بسته به جهت چرخش و لوله شدن - پیکربندی هندسی آن ها - ، SWNT ها می توانند خواص الکترونیکی مختلفی داشته باشند.
هر ساختار هندسی می تواند با بردار پیرامونی خود - - R و دو عدد صحیح سازنده n2 - ، - n1 تعریف شود. می توان دید که با تغییر n1 و n2 می توان قطر نانولوله - - Dcnt را تغییر داد. نانولوله می تواند فقط با تغییرات n2، n1 از فلز یا نیمه فلز به نیمه هادی تبدیل شوند. نانولوله ها برای n1=n2 فلزی هستند، برای n2-n1=3j که در آن j عدد صحیح غیرصفر باشد نیمه فلزند، و برای سایر مقادیر n2-n1=3j 1 که در آن j یک عدد صحیح است نیمه هادی است.
ترانزیستورهای نانولوله ی کربنی
ترانزیستورهایی که از نانولوله های تک جداره بعنوان کانال استفاده کرده اند - شکل - 2 ، دارای خصوصیاتی چون چگالی جریان روشن به خاموش بالا و تغییر آستانه آن ها - Vth - با تغییر در اندازه قطر نانو لوله مطابق با - رابطه - 3 می باشند. که در این رابطه ac-c طول پیوند کربن-کربن و برابر با 2/49 آنگستروم ، V انرژی پیوند - کربن، که مقدار آن 3/033ev میباشد.>2@دو نوع ترانزیستوری که به طور وسیع مورد مطالعه قرار می گیرند، حصار شاتکی و شبه MOSFET هستند - شکل . - 3
شکل:3 - الف - ترانزیستور حصار شاتکی و - ب - ترانزیستور شبه MOSFET در ابتدا منحنی مشخصه خود ترانزیستور توسط مدل استخراج و سپس به شبیهسازی مدارات پایه VLSI با CNTFET پرداخته میشود. در این راستا سعی بر این است پارامترهای مؤثر در منحنی I-V از جمله تعداد نانولوله ، کایرالیته نانولوله و عوامل دیگری که توسط طراح ممکن است تغییر یابد، بررسی شود.
در شکل - - 4 نمودار I-V ترانزیستور CNTFET برای سه طول دروازه ی متفاوت نشان داده شده است. مشاهده میشود که در طول دروازه ی 14nm جریان درین 55ʽA است، در حالیکه برای طول دروازهی 32nm این جریان به 62ʽA میرسد و به ازاء طول دروازهی 50nm ، جریان درین فقط 3 ʽA افزایش یافته و به 65ʽA میرسد. بنابراین مقدار 32 nm برای طول دروازه ترانزیستور نانوله کربنی ، تقریباً مقداری بهینه است.
اسیلاتور های کنترل شونده با ولتاژ با CNTFET
اسیلاتورهای حلقوی یا Ring Oscillator ها شامل تعداد زیادی سلول های تاخیر هستند که با یک حلقه ی فیدبک به یکدیگر متصل شده اند. اسیلاتورهای حلقوی به دو نوع تک سر و دیفرانسیلی تقسیم می گردند. برای داشتن نوسان، اسیلاتور حلقوی نوع تک سر باید از تعداد فردی سلول تاخیر تشکیل شده باشد.>3@ برای کاربردهای با مصرف توان پایین و قابلیت تجمع پذیری بالا و رنج تنظیم وسیع، Ring VCO ها بسیار مناسب هستند.
نتایج شبیه سازی گیت NOT برای دو تکنولوژی نانولوله کربنی و تکنولوژی CMOS در - شکل - 7 ارائه شده است. در این مدار از دو ترانزیستور نانولوله کربنی نوع N و نوع P استفاده شده است.انتظار داریم که ترانزیستور نانولوله کربنی، فرکانس کار بالاتری داشته باشد. برای نشان دادن این موضوع، شبیه سازی اینورتر را به ازای ورودی با دوره تناوب بسیار کمتری در حد پیکو ثانیه انجام میدهیم.می توان دید که ترانزیستور ماسفت نمی تواند ولتاژ ورودی را دنبال کند و همواره در ولتاژ بالا قرار دارد ولی ترانزیستور نانولوله کربنی بخوبی در این فرکانس نیز کار می کند.
طراحی مدار اسیلاتور حلقوی پیشنهادی
در ابتدا پارامترهای اصلی ترانزیستور CNTFET در طراحی را در - جدول - 1 ارایه داده و سپس به شبیه سازی اسیلاتور حلقوی پرداخته و از نظر توان مصرفی، فرکانس نوسان خروجی نوسان ساز را بررسی کرده و با نتایج مشابه در CMOS مقایسه می کنیم.
