بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به شباهت بین MOSFET ها و ترانزیستورهای اثر میدان نانو لوله کربنی - CNTFET - از نظر عملکرد و ویژگی های ذاتی، CNTFET ها به عنوان یکی از جانشینان احتمالی برای تکنولوژی MOSFET معمولی مبتنی بر سیلیکون می باشند. به این دلیل، در این مقاله، تمام جمع کننده 24 ترانزیستوری ولتاژ پایین، توان پایین و سرعت بالای مبتنی بر ترانزیستور CNTFET را پیشنهاد میکنیم که بهبودهای قابل ملاحظه ای در عملکرد طراحی سلول تمام جمع کننده نسبت به سایر سلول های تمام جمع کننده سنتی و مدارات مبتنی بر CMOS و CNTFET نشان میدهد.
طراحی و شبیهسازی سلول تمام جمع کننده یک بیتی با استفاده از نرم افزار HSPICE در ولتاژ تغذیه 0/8 ولت و تکنولوژی -32 nm CNTFET انجام شد. اتلاف توان میانگین، تاخیر انتشار و PDP برای تمام جمع کننده پیشنهادی اندازه گیری شدند. براساس شبیه سازی های مختلف، تمام جمع کننده پیشنهادی مبتنی بر CNTFET عملکرد ممتازی از خود نشان داد.
-1 مقدمه
ترانزیستورها از اجزای اصلی در همه تجهیزات الکترونیکی از قبیل رادیوها، ماشین حساب ها، کامپیوترهای شخصی، نوت بوک ها، تبلت ها و سایر تجهیزات الکترونیکی میباشند. تقاضا برای این تجهیزات الکترونیکی روز به روز افزایش مییابد. بنابراین، برای سازندگان مهم است تا تجهیزات الکترونیکی با کیفیت بالا و عملکردهای مختلف تولید کنند.
به منظور برآورده کردن خواسته های مشتریان؛ کاهش مقیاس پروسه MOSFET در تکنولوژی CMOS بیش از حد مهم شده است. کاهش طول کانال، ضخامت اکسید گیت و ولتاژ تغذیه در طی سه دهه گذشته عملکرد ترانزیستور را برحسب سرعت و توان مصرفی افزایش داده است .[1] هزینه ساخت نیز بطور چشمگیری کاهش یافته است.
اگر سیلیکون به زیر 20 نانومتر طول کانالش کاهش یابد عملکرد ترانزیستورها افت خواهد کرد. این بدان معنی است که MOSFET های سیلیکونی سنتی دیگر قادر به حفظ قانون مور نخواهند بود. با این حال، عملکرد بهبود یافتهای از ادوات الکترونیکی در صنعت نیمه هادی امروزی بسیار مطلوب میباشد. بنابراین، مهندسان و دانشمندان سعی برای پیدا کردن یک راه حل برای غلبه بر این چالش دارند.
اکثر راه حل های عملی با استفاده از ساختارهای ادوات جدید مانند FinFET ها میباشد. راه حل دیگر این است که با استفاده از مواد جدید - مانند سیلیکون فشرده شده، دی الکتریک با ضریب بالا، نانو سیم های سیلیکونی، نانو لوله کربنی ، گرافین، گرافین دو لایه، گرافین فشرده، نانو شبکه گرافینی و نانو نوار گرافینی - کانالهای هادی، گیت و درین و سورس را جایگزین کنند.
از آنجایی که سلول تمام جمع کننده هسته اساسی و بلوک سازنده اکثر مدارات محساباتی است، همواره طراحی سلول های تمام جمع کننده با سرعت بالا و عملکرد بالا و در نتیجه مدارهای محاسباتی پیچیده با حاصلضرب تاخیر در توان کم - PDP - مهم بوده است .[2-6] در این مقاله یک تمام جمع کننده مبتنی بر CNFET سرعت بالا و توان پایین و با PDP پایین برای ولتاژهای پایین ارائه شده است.
عملکرد طراحی ارائه شده در وضعیت های مختلف مورد ارزیابی قرار میگیرد و با دیگر سلول های تمام جمع کننده مرسوم و به روز 32nm-CMOS و 32nm-CNFET در سبک های مختلف مقایسه میشوند. این مقاله به شرح زیر سازماندهی میشود. در بخش دوم مروری بر نانو لوله های کربنی و ترانزیستور اثر میدان نانولوله کربنی خواهیم داشت. در بخش سوم مدار تمام جمع کننده مبتنی بر CNTFET پیشنهادی را مطرح می کنیم. نتایج شبیه سازی و تجزیه و تحلیل عملکرد چندین مدار مختلف به همراه مدار پیشنهادی در بخش چهارم بحث و بررسی میشوند. نتیجه گیری ها بطور خلاصه در بخش پنجم ارائه خواهند شد.
-2 ترانزیستور اثر میدان نانولوله کربنی
یک نانو لوله کربنی تک جداره - SWCNT - 1 میتواند بصورت ورقهای از گرافیت پیچیده شده و بسته بندی شده در امتداد بردار کایرال در نظر گرفته شود که به همدیگر متصل شدهاندCNT .[7] تک جداره به یکی از گروه های زیر بسته به عدد کایرال - n1, n2 - طبقه بندی میشوند:
- آرمیچر - n1 = n2 - 2
- زیگزاگ - n1 = 0 or n2 = 0 - 3
- کایرال4 - بقیه حالتها -
مبانی عملکرد ترانزیستور اثر میدانی نانو لوله کربنی - CNFET - 5 مشابه با قطعات سیلیکونی مرسوم میباشد. این قطعه سه - یا چهار - ترمیناله شامل یک نانو لوله نیمه رسانا میباشد، که به عنوان کانال هدایت عمل میکند، کنتاکتهای سورس و درین را متصل میکند. قطعه به واسطه گیت بطور الکترونیکی روشن یا خاموش میشود. برحسب مکانیسم عملکرد افزاره، CNTFET را میتوان به دو دسته CNTFET شبه 6MOSFET و CNTFET با سد شاتکی7 کنترل شده - SB-CNFET - طبقه بندی کرد.[8-10] به دلیل شباهت بیشتر بین MOSFET و CNFET شبهMOSFET و از نظر عمل و ویژگی ها، این نوع از CNFET برای طراحی مدار پیشنهادی استفاده شده است.
ساختار معمول یک افزاره CNFET شبیه ماسفت در شکل 1 نمایش داده شده است. ناحیه کانال CNT دوپینگ نشده است، در حالیکه نواحی دیگر به سختی دوپینگ شدهاند، بنابراین به عنوان ناحیه توسعه یافته سورس و درین و یا اتصال مابین دو افزاره مجاور عمل میکند. نانو لولههای کربنی استوانههایی با نسبت ابعاد بالا از اتمهای کربن هستند. مشخصات الکتریکی یک نانو لوله کربنی تک جداره - SWCNT - پتانسیلی برای الکترونیک مقیاس مولکولی عرضه میکند.
نیمه رسانایی نمونه یک نانو لوله کربنی تک جداره با قطر 1.4nm در شکاف انرژی0 .6eV 8 - شکاف انرژی بطور معکوس متناسب با قطر میباشد - میباشد.[11-12] ترانزیستورهای اثر میدانی نانو لوله کربنی اخیر9 کنتاکت سورس و درین کاربید فلزی[13] 10 و ساختار top gated - شکل - 1 با دی الکتریک های نازک گیت دارند.[14] فاصله مابین مراکز دو SWCNT مجاور تحت گیت یکسان یک CNFETاصطلاحاً گام - pitch - نامیده میشود، که بطور مستقیم عرض گیت و کنتاکت های این افزاره را تحت تاثیر قرار میدهد. اندازه کلی CNFET بوسیله پهنای گیت تعیین میشود. پهنای گیت بوسیله گام میتواند تعیین شود.
برای طراحی یک مدار با بهترین عملکرد توان مصرفی میانگین و سرعت، بسیار مهم است که ولتاژ آستانه11 را تعیین نماییم ، بخاطر اینکه بر سرعت سوئیچینگ، جریان و توان نشتی تاثیر میگذارد. نانولولههای کربنی تک جداره - SWCNT - با کایرالیتههای - n1,n2 - ، اگر n1 - n2 مضرب صحیحی از عدد 3 باشد؛ میتواند نانولوله کربنی فلزی باشد و در غیر اینصورت، نیمههادی میباشد .[15]
