بخشی از مقاله
چکیده-
در این مقاله ترانزیستور اثر میدان تونلی دولایه الکترون – حفره PMOS مورد مطالعه و شبیهسازی قرار گرفته است. به دلیل دارا بودن جرم موثر کوچک و قابلیت تحرک بالای مواد 3-5، در طراحی افزاره از ماده GaSb استفاده شده است. در افزاره تونلی دولایه الکترون – حفره، تونلزنی نوار به نوار در راستای عمودی کانال صورت میگیرد. به دلیل افزایش ناحیه تونلزنی نسبت به افزاره تونلی متداول جریان حالت روشن به میزان قابل توجهی افزایش مییابد. عملکرد افزاره در حالت خاموش و روشن، اثر ولتاژ گیت پایین و طول ناحیه همپوشانی دو گیت به طور کامل مورد بررسی قرار گرفته است.
براساس نتایج شبیهسازی، افزایش ولتاژ گیت پایین مثبت، موجب افزایش جریان حالت روشن و کاهش ولتاژ آستانه می-گردد. همچنین با افزایش طول ناحیه همپوشانی دو گیت و افزایش ناحیه تونلزنی، جریان درین بهبود مییابد. از ویژگیهای مهم این افزاره میتوان به حساسیت پایین جریان حالت خاموش به تغییر طول ناحیه همپوشانی دو گیت و ولتاژ درین اشاره نمود که بکارگیری این افزاره را در ابعاد نانو تسهیل میکند. براساس نتایج شبیهسازی، نسبت جریان حالت روشن به جریان حالت خاموش 3,38×1011 - ION/IOFF - و سوئینگ زیر آستانه کمتر از 2mV/dec بهدست آمده است.
.1 مقدمه
امروزه ابعاد ترانزیستورهای اثر میدان فلز- اکسید- نیمههادی - MOSFET - 1 به منظور دستیابی به سرعت بالا و افزایش تراکم مدارهای مجتمع در حال کوچکسازی میباشند. برای کاهش توان مصرفی این ترانزیستورها لازم است تا ولتاژ کاری ترانزیستور کاهش یابد. برای افزایش سرعت کلیدزنی افزاره لازم است سوئینگ زیر آستانه - SS - 2 کاهش یابد .[2 ,1] طبق تعریف، سوئینگ زیرآستانه میزان تغییرات ولتاژ گیت به ازای تغییر ده برابری جریان درین میباشد. در ترانزیستورهای اثر میدان متداول که ساز و کار اصلی جریان در آن رانش و نفوذ است، حداقل مقدار سوئینگ زیر آستانه 60 mV/dec میباشد.
در ترانزیستورهای تونلی به دلیل ساز و کار متفاوت جریان که بر مبنای تونلزنی نوار به نوار میباشد، سوئینگ زیر آستانه به کمتر از 60 mV/dec میرسد. در شکل -1 - الف - ساختار یک افزاره تونلی متداول نشان داده شده است. در ترانزیستور تونلی متداول حاملها از سورس به کانال تونل زده و ولتاژ گیت عرض ناحیه تخلیه شده در فصل مشترک سورس با کانال را کنترل میکند.
در این افزارهها تونلزنی بهصورت افقی در امتداد طول کانال میباشد .[4 ,3] به منظور بهبود عملکرد افزارههای تونلی، ساختار جدیدی با عنوان ترانزیستور اثر میدان تونلی دولایه الکترون - حفره3 - EHBTFET - مطرح گردیده است. در ترانزیستور تونلی دولایه الکترون - حفره تونلزنی به صورت عمودی و در امتداد کانال رخ میدهد .[5] در این افزاره طول ناحیه تونلزنی به میران طول ناحیه همپوشانی کانال افزایش مییابد
در مقالات ارائه شده ترانزیستور اثر میدان تونلی دولایه الکترون-حفره، عملکرد افزاره کانال P مورد بررسی قرار گرفته است. بررسی عملکرد افزاره کانال P در بکارگیری این افزاره در مدارهای CMOS و طراحی مدارهای دیجیتال بسیار اهمیت دارد. همچنین بکارگیری مواد با جرم موثر کوچک، احتمال تونلزنی نوار به نوار را افزایش داده موجب بهبود عملکرد افزاره میگردد. لذا در این مقاله ترانزیستور اثر میدان تونلی دولایه الکترون-حفره با ماده گالیوم آنتیموناید - GaSb - در سورس، درین و کانال پیشنهاد شده است.
شکل :1 الف - ترانزیستور تونلی متداول شکل :2 ترانزیستور اثر میدان تونلی دولایه الکترون -
ب - ترانزیستور تونلی دولایه الکترون - حفره حفره کانال P مورد مطالعه در این شبیهسازی
.2 معرفی افزاره و مدلهای بکارگرفته در شبیهسازی
ساختار ترانزیستور اثر میدان تونلی دولایه الکترون - حفره GaSb کانال P در شکل 2 نشان داده شده است. تابع کار گیت بالا - VTG - و گیت پایین - VBG - بهترتیب برابر 5,1eV و 4,25eV میباشد. برای ایجاد ناحیه N+ در ناحیه نزدیک به گیت پایین در کانال، ولتاژ گیت پایین 0,1 V در نظر گرفته شده است. در این شبیه سازی طول کانال 100nm - Lch - ، ضخامت کانال 7nm - Tch - ، ضخامت لایه اکسید 1nm HfO2 - Tox - ، کانال از نوع ذاتی، آلایش درین و سورس برابر cm-5×10183 و طول ناحیه همپوشانی - Lov - برابر 50nm درنظر گرفته شده است.
شبیه سازی عددی توسط نرمافزار ATLAS که زیرمجموعه نرمافزار Silvaco میباشد صورت گرفته است. در این شبیهسازی مدلهای ذیل لحاظ گردیده است: مدل تونلزنی نوار به نوار غیر محلی4 برای در نظر گرفتن تونلزنی حاملها و مدل بازترکیب - SRH - Schokley Read Hall برای مدلسازی اثر بازترکیب حاملها بهدلیل وجود نقصها و ترازهای تله. همچنین اثر برخورد حاملها با اتمهای ناخالصی و نیز اثر میدان الکتریکی عمودی گیت و میدان افقی درین بر قابلیت حرکت حاملها لحاظ گردیده است.
بهدلیل تراکم بالای حاملها در سورس و درین، اثر کاهش شکاف انرژی بر عملکرد افزاره نیز درنظر گرفته شده است. از آنجاکه تونلزنی نوار به نوار در راستای عمودی کانال رخ میدهد و چگالی حالتهای مجاز نقش مهمی در عملکرد افزاره دارند، مدلهای کوانتومی نیز جهت بررسی عملکرد افزاره لحاظ گردیده است.
.3 شبیهسازی ترانزیستور تونلی دولایه الکترون – حفره نوع P
در افزاره تونلی دولایه الکترون – حفره، کانال دارای آلایش ذاتی میباشد. به دلیل اختلاف تابع کار گیت با ناحیه کانال، حفرهها در نزدیکی گیت بالا و الکترونها در نزدیکی گیت پایین انباشته میشوند. در این افزاره ولتاژ اعمالی به گیت بالا و گیت پایین متفاوت است و ناحیه N+ و P+ در امتداد کانال بهصورت الکتریکی ایجاد میگردد. با اعمال ولتاژ مثبت به گیت پایین، الکترونها در قسمت پایین کانال انباشته شده و این ناحیه بهصورت الکتریکی به ناحیه N+ تبدیل میشود. همچنین با اعمال ولتاژ منفی به گیت بالا، سطح بالای کانال بهصورت الکتریکی به ناحیه P+ تبدیل میگردد.
اساس کار ترانزیستور تونلی دولایه الکترون – حفره، تونلزنی نوار به نوار در راستای عمودی کانال و از ناحیه پایین کانال به ناحیه بالای کانال میباشد. در شکل -3الف نمودار نوار هدایت و ظرفیت در راستای عمودی کانال ترانزیستور اثرمیدان تونلی دولایه الکترون – حفره نشان داده شده است. در حالت خاموش VTG=0V، VBG=0,1V و VDS=- 0,5V میباشد. در حالت خاموش عرض ناحیه تخلیه شده زیاد است و احتمال تونلزنی نوار به نوار در راستای عمودی کانال کاهش مییابد. در شکل -3ب لگاریتم تراکم الکترون ها در حالت خاموش نشان داده شده است.، با اعمال ولتاژ مثبت به گیت پایین و اختلاف تابع کار گیت پایین با کانال، تراکم الکترونها در ناحیه پایین کانال افزایش یافته است.
شکل :3 الف - نمودار نوار انرژی ترانزیستور تونلی دولایه در حالت خاموش ب - لگاریتم تراکم الکترونهای افزاره در حالت خاموش
در حالت روشن VTG=-0,5V، VBG=0,1V و VDS=-0,5V در نظر گرفته شده است. همانطور که در شکل 4 مشاهده میشود، در حالت روشن بهدلیل اختلاف تابع کار گیت بالا و کانال و نیز اعمال ولتاژ گیت منفی، تراکم حفرهها در ناحیه بالای کانال افزایش یافته و ناحیه بالای کانال به P+ تبدیل میشود. در این حالت عرض ناحیه تخلیه شده کاهش یافته و تونلزنی نوار به نوار در راستای عمودی کانال از باند ظرفیت به باند هدایت آغاز میگردد.
شکل :4 الف - نمودار نوار انرژی ترانزیستور تونلی دولایه در حالت روشن ب - لگاریتم تراکم الکترونهای افزاره در حالت روشن
