بخشی از مقاله
چكیده
در این مقاله، یک تقویتکنندهی عملیاتی بهوسیلهی ترانزیستورهای اثر میدانی نانولولهی کربنی تک دیواره در تکنولوژی 32 نانومتر طراحی شده است. این تقویتکننده با استفاده از مدل متداول تقویتکنندهی عملیاتی طراحی و عملکرد آن به وسیلهی تغییر تعداد و فاصلههای نانولولهها در 1CNTFET بهبود داده شده و دیگر پارامترهای طراحی مطابق با مدل استاندارد جهانی CNTFET در نظر گرفته شده است. شبیه سازی بر مبنای ارزیابی اثر افزایشی نانولولهها در ناحیهی کانال صورت گرفته و بهبود تدریجی تمامی مشخصهی عملکردی پارامترها در تقویتکنندههای CNTFET را نشان میدهد. بر مبنای شبیهسازیهای صورت گرفته و نتایج حاصل از آن، تقویتکنندهی عملیاتی نانولولهی کربنی پیشنهادی نوید بخش پیادهسازی مدارات آنالوگی در مقیاس نانو میباشد.
۱- مقدمه
عمدتاًً ً به دلیل چالشی که ترانزیستورهای سیلیکونی در کوچکسازی مواجه هستند، تلاشهایی درخور توجه به منظور یافتن کاندیدهایی مناسب برای جایگزینی آن صورت گرفته است. تحقیقات صورت گرفته در چند سال اخیر نشان میدهد ترانزیستورهای نانولوله کربنی نه تنها قابلیت کوچک سازی در مقیاس نانو بدون متحمل شدن اثرات کانال کوتاه را داراست بلکه از توان مصرفی بسیار پایینتری در مقایسه با ترانزیستورهای سیلیکونی برخوردار است.
علاوه بر مزیتهای گفته شده ترانزیستورهای نانولوله کربنی تک دیواره قابلیت پیادهسازی با فرآیند ساخت ترانزیستورهای اثر میدانی فلز-اکسید-نیمه رسانا را داراست که نوید بخش ظهور گستردهی آن در عرصهی نانو الکترونیک میباشد .[1] قابل ذکر است نمونههای تراشه ساخته شده توسط دانشگاه استنفورد [2] و همچنین RAM ساخته شده توسط شرکت فوجیتسو و نانترو [3] نمونههای بارزی در راستای تجاری سازی این تکنولوژی میباشد. در ادامهی مقاله، در بخش دوم به ارائهی گزارشی مختصر از تکنولوژی نانولولههای کربنی پرداخته شده است. در بخش سوم، طراحی تقویتکنندهی عملیاتی در تکنولوژی نانولولههای - کربنی پیشنهاد شده و نتایج شبیهسازی این تقویتکننده در فصل چهارم مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته است. در فصل پنجم، نتیجهگیری ارائه شده است.
۲-اصول طراحی پیشنهادی
اولین ترانزیستور مبتنی بر نانو لولههای کربنی در سال 1998 ساخته شد. فرآیند ساخت و عمل این ترانزیستورها مشابه با ترانزیستورهای MOSFET میباشد به همین دلیل نام CNTFET به آنها اطلاق گردید. ساختار شش ضلعی نانولولههای کربنی سبب مقاومت خوب این ساختار نسبت به ساختارهای دیگر گردیده است. در حقیقت، نانو لولههای کربنی 50 برابر قویتر از فولاد میباشند در حالی که چگالی آنها تنها یک چهارم فولاد است. علاوه بر آن نانولولههای کربنی از مشخصات خوب الاستیک نیز برخوردار میباشد. از دیگر مشخصههای نانولولههای کربنی میتوان به قابلیت خمش و پیچش آنها بدون در نظر گرفتن چگالی آن میباشد و همچنین همیشه شکل پذیر میباشند.
از دیگر مشخصههای متمایز کنندهی نانولوله کربنی مشخصه انتقال حرارت آن است. نانولولههای کربنی توانایی انتقال حرارتی بهتر از الماس را دارا میباشند که سبب شده نانولولهها به عنوان یکی از بهترین هادیها تلقی گردد. این سه ویژگی ذکر شده سبب میگردد موادی که با نانو لولههای کربنی ساخته میشوند از جمله ترانزیستور توانایی کارکرد خوب در شرایطی غیر ایدهآل را داشته باشد .[4]
مشخصه الکتریکی نانولولههای کربنی منحصر بفرد بوده و قابل تنظیم است. برخلاف بیشتر مواد، نانولولههای کربنی قابلیت پیادهسازی به حالت هادی و نیمههادی را دارا میباشند. علاوه بر آن شکاف انرژی آنها با نتظیم برخی از مشخصههای فیزیکی قابل تنظیم میباشد. ویژگی منحصر بفرد دیگر این مواد هدایت بالستیک در دمایی بالاتر از دمای اتاق مشابه با ترانزیستورهای MOSFET امروزی میباشد. ترانزیستورهای CNTFET نیازمند سه پایانه گیت، سورس و درین میباشند که در آن گیت وظیفهی کنترل جریانی که از سورس به درین جاری میشود را دارد. عمده تفاوت بین ترانزیستورهای CNTFET و MOSFET در کانال آنها میباشد که در ترانزیستورهای CNTFET این کانال از جنس نانولولهی کربنی میباشد در حالی که در MOSFET از تغلیظ شدید سیلیکون حاصل میگردد .[5]
نانولولهها با اعمال ولتاژ بایاس منفی به گیت روشن شده و با اعمال ولتاژ بایاس مثبت به گیت خاموش میگردند. این ویژگی خاموش و روشن شدن ترانزیستورها یکی از دلایل کاهش توان مصرفی این توع ترانزیستورها نسبت به نوع سیلیکون آن میباشد. ولتاژ بایاس منفی سبب ایجاد حفره در لوله و درنتیجهی آن رسانایی میگردد. از طرف دیگر ولتاژ بایاس مثبت سبب تهی شدن نانولوله از حفره و کاهش رسانایی آن میگردد.
در واقع، مقاومت حالت قطع در حدود یک میلیون بار از حالت روشن آن بیشتر میباشد. این رفتار مشابه با ترانزیستور ماسفت نوع p می باشد به جز آن که نانولولهها به جای سیلیکون به عنوان مادهای بکار میرود که از آن حاملها میگذرد. پژوهشهایی که اخیراً در دانشگاه استنفورد انجام شده و همچنین گروهی در دانشگاه برکلی نشان میدهد تغییر ماهیت شیمیایی نانولولههای کربنی میتواند میزان غلظت را تغییر دهد که تاثیر زیادی بر ولتاژی که ترانزیستور روشن میشود، دارد .[6]
انتقال بالستیک زمانی اتفاق میافتد که میانگین مسیر آزاد بزرگتر از طولی باشد که حاملها حرکت میکنند. در نتیجه به دلیل انتقال سریع حاملها که بواسطهی مقاومت کم کانال میباشد، ترانزیستور مبتنی بر آن توانایی انتقال اطلاعات با سرعت ترا هرتز و حتی بیشتر از آن را دارد .[7] از ویژگیهای که باعث شده نانولولههای کربنی کاندیدایی مناسب برای کاربردهای تکنولوژی پیشرفته آینده گردد قابلیت تحرک بالای حاملها، توانایی انتقال جریان زیاد و بالستیک یا انتقال حاملهای نزدیک بالستیک میباشد.
۳- طراحی مدار پیشنهادی
یک تقویتکنندهی عملیاتی دو طبقه با تکنولوژی نانولولههای کربنی طراحی و شبیهسازی شده و در شکل - 1 - نشان داده شده است. در طبقهی اول از ساختار زوج تفاضلی به دلیل حذف نویز و سوئینگ خروجی تقریباً دو برابر استفاده شده و در طبقهی دوم از ساختار سورس مشترک به خاطر بهرهی ولتاژ بالا استفاده شده است. شکل : - 1 - ساختار مداری تقویتکننده عملیاتی در این طراحی برای هر نانولوله، کایرالیتی 0 - ، - 19 انتخاب شده است که در این صورت قطر هر یک از نانولولهها 1/5 نانومتر و ولتاژ آستانه آن 0/28 ولت میشود. ولتاژ تغذیه 0/35 ولت بوده و خازن بار 10 فمتوفاراد میباشد.
متغیر اول طراحی، تعداد نانولولههای کربنی است. تعیین تعداد نانولولهها، به منظور اطمینان از تأمین جریان کافی بسیار مهم میباشد. در واقع با افزایش تعداد نانولولهها جریان افزایش مییابد که البته منجر به افزایش توان مصرفی نیز خواهد گردید. متغیر دوم طراحی، فاصلهی نانولولهها از یکدیگر است. با تغییر این فاصله ظرفیت خازنهای پارازیتک تغییر کرده و بدین ترتیب مقدار جریان مطلوب را میتوان به دست آورد.
در ابتدا برای آنکه تمامی ترانزیستورها در ناحیهی اشباع قرار گیرد، تعداد نانولولههای CNT5 و CNT8 به ترتیب به 4 و 8 افزایش داده شد. در این شرایط مقدار بهره 92 دسیبل، پهنای باند 0/6 گیگاهرتز، حاشیه فاز 3 درجه و توان مصرفی 2/9 میکرو وات به دست آورده شد. به منظور پیش جبرانسازی بهینه، ترانزیستور CNT به عنوان مقاومت جبرانساز با کایرالیتی 8 - ، - 9 در ناحیه خطی بایاس شده و از خازن 0/5 فمتوفاراد برای جبرانسازی استفاده گردید.
بدین ترتیب مقدار حاشیهی فاز 60 درجه به دست میآید که مقداری مناسب برای پایداری تقویتکننده است. در نهایت برای دستیابی نقطه کار بهینه، تعداد نانولولهها و فاصلهی بین آنها تنظیم شده است که با افزایش 1/7 برابری توان مصرفی به مقادیر مطلوب بهره 121 دسیبل و پهنای باند 7 گیگاهرتز میرسد. شکل - 2 - نمودار شبیهسازی مشخصات بهره، پهنای باند و حاشیه فاز این طراحی است.
۴- نتایج شبیه سازی
به منظور ارزیابی مدار ارائه شده، نتایج شبیهسازی تقویتکنندههای عملیاتی با تکنولوژی مشابه 32 نانومتر در جدول - 1 - آورده و به مقایسهی آن با طرح پیشنهادی پرداخته شده است. برای انجام یک مقایسه از لحاظ عملکرد، معیار FOM را که رابطهای بین بهره، پهنای باند و توانمصرفی تقویتکنندهی عملیاتی میباشد، تعریف شده و به جهت سادهسازی، مقدار FOM در 10-14 ضرب شده است. این معیار با در نظر گرفتن سه پارامتر طراحی نشان میدهد که FOM مدار پیشنهادی نسبت به طراحی [15] دویست و پنجاه برابر و نسبت به طراحی [16] حدود یک میلیون برابر میباشد.
۵- نتیجهگیری
در این مقاله به بررسی تقویتکنندهی عملیاتی مبتنی بر نانولولههای کربنی پرداختیم. نانولولههای کربنی به علت مشخصات الکتریکی خود یکی از بهترین گزینهها به منظور جایگزینی فناوری مبتنی بر سیلیکون به شمار میروند. نتایج حاصل از شبیهسازی نشان دهنده بهبود قابل قبولی در پارامتر مدار نسبت به طراحیهای مشابه میباشد. افزایش تعداد نانولولهها در این طراحی باعث افزایش بهره، پهنای باند و افزایش نسبتاً کم توان مصرفی میشود. با این حال، طراحی مدارها با توان مصرفی پایین در تکنولوژی CNTFET امکان پذیر میباشد.
