بخشی از مقاله
چکیده
رشد سریع فناوری ساخت مدارهای الکترونیکی و ورود به مرز فناوری نانو، همراه با مزایای دور از انتظاری که برای این فناوری به دنبال داشته، چالش های فراوانی را نیز فرا روی متخصصین الکترونیک قرار دادهاست. برخی از این چالش ها مربوط به فرآیند و فناوری ساخت مدارهای الکترونیکی و بخشی نیز مربوط به کوچک شدن ابعاد ترانزیستورها است که پایه و اساس آنها میباشد .افزایش این مسائل پژوهشگران را به فکر جایگزینی مواد جدیدی به منظور استفاده در مدارهای الکترونیکی انداخت، که به جای استفاده از ترانزیستورها و ابزارهای سیلیکونی که با چنین محدودیت هایی روبرو است، از مواد دیگری استفاده کنند .
یکی از محتملترین جایگزینهای CMOS ، ترانزیستورهای مبتنی بر نانو لوله های کربنی - CNFET - است، که شامل نانو لوله های تک جداره نیمه هادی همجوار است که به دلیل خاصیت الکترونی عالی، قابلیت جایگزین شدن بر مدارات CMOSسیلیکونی را دارد. در این مقاله ابتدا ترانزیستورهای مبتنی بر نانولوله های کربنی - CNFET - ،تاریخچه ،مزایا و محدودیت های آن ها را به طور اجمال مورد بررسی قرار میگیرد.سپس با استفاده از الگوریتم ژنتیک به بهینه سازی آن پرداخته میشود.
مقدمه
در سالهای اخیر نانو لوله های کربنی برای ساخت ترانزیستور ها مورد توجه قرار گرفته اند.این نوع ترانزیستور ها بعنوان جایگزین خوبی برای ترانزیستور های سیلیکونی مطرح میباشند.زمانیکه در ساختار ترانزیستور های اثر میدانی از نانو لوله های کربن استفاده شود،باعث کوچکتر شدن و نازکتر شدن ترانزیستور میشود.ابعاد این ترانزیستور ها تا بیش از 10 نانومتر کوچک شدهاست،و این کوچکتر شدن ترانزیستور سیلیکونی مزایای همچون تحرک فوق العاده بالا،جریان راهاندازی بیشتر،سرعت عمل سریع،توان مصرفی کم را دارا میباشند،که المان های محدود کننده این نوع از ترانزیستور ها اثرات کانال کوتاه و رفتار دو قطبی ان میباشد
الگوریتم های هوشمند از جمله الگوریتم های تصادفی هستند که برای یافتن پاسخ بهینه استفاده میشوند.این مدل از الگوریتم قادر به یافتن جوابهای بهینه در مدت زمان کوتاه میباشند.در استفاده از الگوریتم ژنتیک دو موضوع میبایست تعیین شود - - 1 پیدا کردن روشی برای ارائه یک جواب به شکلی که الگوریتم بتواند روی ان عمل کند، - - 2 روشی که بتواندکیفیت هر بهینه سازی پیشنهاد شده را با استفاده از توابع تناسب محاسبه نماید
امروزه کاربرد الگوریتم های هوشمند بیشتر بخاطر داشتن راهکارهایی قابل قبول و مناسب برای حل بسیاری از مسایل شناخته شده میباشد.در ضمن این الگوریتم از پیچیدگی و حجم محاسبات کمتری نسبت به سایر روش های سنتی برخوردار است.با استفاده از الگوریتم ژنتیک میتوان کمترین و بهینه ترین توان مصرفی را در مسئله پیش رو بدست اورد.
-2تاریخچه و مروری برکارهای پیشین در سال 1965گوردون مور پیشبینی کرد که تعداد ترانزیستورهای روی یک تراشه در هر دو سال، دوبرابر خواهد شد
در سالهای نه چندان دور اخیر ،دانشمندان و محققان به این حقیقت رسیدهاند که نانولوله های کربنی یکی از مهمترین نشانه های انقلاب تکنولوژی نانو هستند.در ابعاد پایین،ساختارهای نانو از قبیل نقاط کوانتومی،نانوسیم ها و نانولوله های کربنی وییگیهای منحصر به فردی دارند که آنها را کاندیدای نوظهوری برای کاربردهای تکنولوژیکی پیشرفنه در آینده تبدیل نمودهاست.
نانولوله های کربنی ویژگی منحصر به فردی به عموان یکی از اندک سیستم هایی که اندازه آزمایشگاهی افزاره ممکن است به مدل های با ابعاد اتمی برسد و با پیشبینی ها تطبیق پیدا کند میباشند ،بنابراین تایید نتایج روشهای محاسباتی و طراحی تئوری با نتایج آزمایشگاهی محقق میگردد.این افزاره های در مقیاس نانو اغلب ویژگیهای نامحدودی دارند ولی طراحی افزاره ها و مدارات نانوبعدی ،بدون محدودیت نیست.مقیاس کردن در توپولوژی مبتنی بر سیلیکون دارای محدودیت های جدی وابسته به تکنولوژی ساخت و عملکرد افزارهاست.
پیشبینی ها توسطITRS 1 نشان میدهد که مقیاس کردن CMOS در حدود سال 2018 با رسیدن به عرض
کانال 20 نانومتر به پایان خواهد رسید
حتی رسیدن به اندازه22 نانومتر هم به مشکلات حل نشده زیادی برخورد میکند که مهمترین آنها توان مصرفی - به ویژه جریانهای نشتی 2 - ، تغییرات فرآیند ساخت3 ، مشکلات قابلیت اطمینان4 و افزایش هزینه ساخت است. مقیاس کردن ترانزیستورها، کم شدن توانایی برای تحمل تغییرات پروسه ساخت را به همراه دارد. با کوچکتر شدن ترانزیستورها اتمهای کمتری قطعات مختلف را میسازند. کمبود قابلیت پیشبینی، فرآیند طراحی را پیچیده کرده و با ادامه کاهش ابعاد تکنولوژی، این پیچیدگی بیشتر هم میشود
بزرگترین مشکل برای کاهش ابعاد ترانزیستورها، مسائل مربوط به اقتصاد است. هزینه ساخت به صورت نمایی در حال افزایش بوده و همزمان با افزایش نمایی تعداد ترانزیستورها در حال افزایش است. این افزایش در واقع به دلیل استفاده از روش ساخت بالا به پایین در طراحی مدارهای مجتمع است. این بدان معناست که لایه ها روی یک ویفر سیلیکونی اضافه میشوند که نیازمند هزاران مرحله، قبل از ساخت کامل مدار است. با وجود آنکه این فرآیند امکان ساخت مدارها و سیستمهای قابل اطمینان را به ما میدهد، کاهش ابعاد، تولید ماسکهای قابل اطمینان را بسیار گران میکند
دیگر محدودیت های به وجود آمده از مقیاس کردن را میتوان در تونل زنی الکترون ها از طریق کانال کوتاه و فیلم های نازک عایق،جریان های نشتی منتشر شده،اتلاف توان پسیو،عدم تطبیق در ساختار افزاره،محدودیت های قابلیت حرکت و نوسانات ناخواسته ناخالصی ،خلاصه کرد.
برای پوشش دادن این محدودیت ها و حفظ یکپارچگی و پیشرفت تکنولوژی ساخت با کاهش ابعاد محتمل در آینده،روشهای نوین میبایست توسعه یابند تا تکنولوژی را به ابعاد جدید برای عبور از چالش هایی از قبیل هزینه و ... هدایت کنند.افزاره های مبتنی بر نانولوله های کربنی پتانسیل لازم برای عمل کردن در افزاره های با ابعاد نانو و با سرعت بالا در آینده نزدیک به علت شباهت با ساختار cmos ،عملکرد افزاره و قابلیت کاهش توان مصرفی با ادامه کاهش ابعاد را خواهند داشت.
با بررسی مشکلات موجود در صنعت نیمه هادی ،به محدودیتهای اندازه فیزیکی و هزینه های سرسام آور برخوردیم که برای حل آنها نیاز به تغییر اساسی در نحوه ساخت مدارهای مجتمع وجود دارد. بسیاری از محققان عقیده دارند که این تغییر به سمت قطعات نانوالکترونیک خواهد بود. قطعات نانوالکترونیک ممکن است راه حلی برای افزایش هزینه های ساخت ارایه کرده و اجازه دهند که مدارات مجتمع زیر ابعاد ترانزیستورهای مدرن مقیاس شود. مؤثرترین تغییر در حرکت به سمت فناوری نانوالکترونیک نحوه ساخت است.در این تکنولوژی سیمها، دیودها، ترانزیستورها و سوییچها میتوانند به صورت مجزا، زیاد و ارزان ساخته شوند.
راج و همکارانش در سال wang el at,2014 - 2016 - مطالعهای را تحت عنوان تحلیل تطبیقی ترانزیستور اثر میدان نانو لوله کربنی و ترانزیستور نانوسیم برای طراحی مدار توان پایین ارائه دادند.در تحلیل تطبیقی CNTFET و ترانزیستور نانوسیم بر اساس عملیات،ساختار،خصوصیات و چالش های طراحی ان ها ارائه شدهاست.نتایج این تحقیق را بصورت شبیه سازی در HSPICE برای CNTFET ارایه شده از دانشگاه استنفورد ارائه شدهاست.نتایج این تحقیق نشان میدهد CNTFET نتایج خوبی در همه جنبه ها نسبت به نانوسیم برای طراحی مدار ارائه میدهد.در نتایج این تحقیق توان بدست امده برابر 14.76461 میکرو وات بدست امدهاست.
ریوس و همکارانش در سال - Puri,2015 - 2014 مطالعهای را تحت عنوان ترانزیستور اثر میدان دو قطبی شبکه نانولوله کربنی با نسبت lon/loff 108 ارائه کردند.در این تحقیق اوردهاند پوشش پلیمری روش بسیار موثری برای انتخاب نانو لوله های کربنی نیمه رسانا هستند.عملکرد ترانزیستور اثر میدان می تواند توسط گزینه پلیمر پوششی تنظیم گردد همچنین تمرکز پلیمر خصوصیات انتقال FET را تغییر می دهد به گونهای که توسط گزینه پلیمر پوششی تنظیم گردد همچنین تمرکز پلیمر خصوصیات انتقال FET را تغییر می دهد به گونهای که نسبت عدد مذکور را فراهم کند.در نتایج این تحقیق توان مصرفی را در حدود 14.76504 میکرو وات بدست اوردهاند.
مستوری و همکارانش در سال Pasupathl,Bindu,2015 - 2015 - طرحی برای مدارهای سه گانه جایگزین و متراکم کننده با استفاده از ترانزیستورهای اثر میدانی مبتنی بر نانو لوله های کربنی معرفی می گردد.طرح های پیشنهادی با استفاده از برنامه اجمالی شبیه سازی مدار مجتمع با استفاده از فناوری ترانزیستورهای اثر میدانی مبتنی بر لوله های کربنی استاندارد 32 نانو متری در موقعیت های گوناگون شبیه سازی و تست می شوند.
