بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
معرفی ساختار جدید ترانزیستور اثر میدانی نانولوله کربنی برای کاهش جریان نشتی
خلاصه
در این مقاله ساختار جدیدی از ترانزیستور اثر میدان نانولوله کربنی با گیت دوقلو (TG-CNTFET) برای کاهش جریان نشتی پیشنهاد و شبیهسازی شده است. گیت این ساختار شامل دو بخش، یکی در نزدیکی سورس و دیگری در نزدیکی درین است و زیر نواحی گیتها در کانال ناخالصی نوع p تزریق شده است. برای مطالعه مشخصات افزاره، حل خودسازگار از معادله پواسون-شرودینگر دو بعدی، با فرمول تابع گرین نامتعادل (NEGF) ارائه و شبیهسازی شده است. نتایج شبیهسازی نشان میدهد در مقایسه با ساختار پایه، TG-CNTFET به دلیل کاهش تونلزنی باند به باند، جریان نشتی را کاهش میدهد و نسبت جریان روشن به خاموش را افزایش می دهد. علاوه بر این، ثابت کرده ایم که ساختار پیشنهاد شده در مقادیر متفاوت طول کانال، عملکرد بهتری از نظر تاخیر کلیدزنی و حاصلضرب تاخیر در مصرف توان (PDP) از خود نشان داده است و اعمال این ساختار منجر به بهبود چشمگیری در این دو مشخصه مهم افزاره شده است. همچنین به دلیل وجود دو هاله ناخالصی در کانال ساختار پیشنهاد شده، آن را با ساختار CNTFET دوهالهای با جریان اشباع برابر مقایسه کرده ایم و برتریهای ساختارهای پیشنهاد شده را نسبت به آن نشان دادهایم.
کلمات کلیدی: ترانزیستور اثر میدان نانولوله کربنی (CNTFET)، تابع گرین نامتعادل (NEGF)، گیت دوقلـو، جریـان نشتی، تاخیر کلیدزنی، حاصلضرب تاخیر در مصرف توان PDP) )، طول کانال.
.1 مقدمه
امروزه با توجه کاهش سریع اندازه ترانزیستورها و عدم امکان کوچکتر کردن ترانزیستورهای سیلیکنی از حد معینی [1] و همچنین کاهش توان اتلافی (توان حالت خاموش) [2]، محققان به استفاده از نانولوله های کربنی، به خصوص به دلیل مسیر آزاد طولانی [3] و قابلیت انتقال بالستیک در ابعاد نانو تمایل پیدا کرده اند .[5 ,4] امروزه هر دو نوع ترانزیستورهای اثر میدان نانولوله کربنی(CNTFET) 1 نوع p و نوع n ساخته شدهاند و مشخصه های امیدوارکننده نشان دادهاند. آزمایشات با هندسه گیت شبه مسطح2 انتقال نزدیک بالستیک3 را نشان دادهاند [7 ,6] ولی از ساختارهایی با هندسه گیت پیچیده شده1، انتظار بیشتری میرود، به دلیل اینکه گیت کنترل الکتروستاتیکی بهتری بر روی کانال دارد و در نتیجه محدودیتهای مقیاس کردن به ابعاد نانو را هموار میسازد .[9 ,8]
یکی از مشکلات درCNTFETها تونلزنی باند به باند است که منجر به ایجاد هدایت ambipolar میشود و عملکرد افزاره را محدود میکند .[10-12] در اثر این پدیده، جریان نشتی (خاموش) به طرز غیرقابل کنترلی بالا میرود. دلیل این رفتار این است که تزریق حاملها از سورس و درین توسط گیت کنترل میشود و در نتیجه با افزایش کوپلینگ بین CNT و گیت، جریان خاموش نیز افزایش مییابد. در [13] پروفیل ناخالصی خطیای در کنار اتصالات سورس و درین در مناطق سورس و درین پیشنهاد شده که گرادیان سد پتانسیل را در محل تلاقی بین قسمت بدون ناخالصی کانال و با ناخالصی در سورس و درین کاهش مییابد که باعث میشود تونلزنی باند به باند و هدایت ambipolar سرکوب شوند. یکی دیگر از ساختارهای پیشنهاد شده ساختار دوهالهای (DH-CNTFET) 2 است که در آن به دلیل وجود هالهای در سمت درین تونلزنی باند به باند و به علت وجود هاله در سمت سورس اثرات کانال کوتاه کاهش مییابند .[14] ما در این مقاله ساختار ترانزیستور اثر میدانی نانولوله کربنی گیت دوقلو(TG-CNTFET) 3 که با بکارگیری "مهندسی توزیع ناخالصی" و "مهندسی گیت" سعی در بهبود این رفتار ترانزیستورها دارد را معرفی و پیشنهاد کرده ایم.
گیت این ساختار شامل دو بخش است و بین این دو ناحیه، فلزی وجود ندارد و تنها زیر نواحی فلزی در کانال، ناخالصی تزریق شده است گیت سمت سورس % 50 کانال و گیت سمت درین %25 کانال را پوشش میدهد. در این ساختار جدید، هاله ناخالصی سمت درین و بازترکیب4 بیشتر حاملها، تونلزنی باند به باند و در نتیجه جریان نشتی را کاهش میدهند که باعث بهبود چشمگیری در نسبت جریان روشن به خاموش میشود.
بنابراین برای اولین بار در این مقاله ساختار ترانزیستور TG-CNTFET را با استفاده از کوانتوم دوبعدی شبیهسازی کرده ایم. شبیهسازیها با حل خود سازگار از معادله پواسون-شرودینگر دو بعدی با فرمول تابع گرین غیرتعادلی5 (NEGF) انجام شدهاند. سپس مشخصه های الکتریکی TG-CNTFET مانند مشخصات خروجی، جریان روشن، جریان خاموش، نسبت جریان روشن به خاموش، تاخیر کلیدزنی6 و حاصلضرب تاخیر در مصرف توان (PDP ) 7 را بدست آوردهایم. این مشخصه ها در رنج وسیعی از طول کانال و چگالی ناخالصیها بررسی شدهاند. نتایج شبیهسازی نشان میدهد TG-CNTFET نسبت به ساختار پایه(C-CNTFET) 8 و ساختار DH-CNTFET، ساختار مطمئنتری برای کاربردهای مداری فلز-اکسید-نیمههادی(MOS) 9 میباشد.
این مقاله به صورت زیر سازماندهی شده است: قسمت 2 ساختار پیشنهادی را معرفی میکند، قسمت 3 روش شبیهسازی را توضیح میدهد و سپس در قسمت سوم نتایج شبیهسازی ارائه و بحث شده است. نهایتا در قسمت 4 این مقاله را نتیجه گیری کرده ایم.
.2 ساختار افزاره
نمای طرحوار برشیافتهCNTFET با گیت دوقلو در شکل 1 (الف) نشان داده شده است. گیت این ساختار شامل دو گیت استوانهای از فلز یکسان میباشد و ولتاژ اعمالی به هر دو گیت یکسان است. گیت مجاور سورس %50 طول کانال (10nm) و گیت مجاور درین %25 طول کانال (5nm) را اشغال میکنند و در بین این دو گیت، فلزی وجود ندارد.
در زیر نواحی گیتها ناخالصی نوع p با غلظت 0/6 nm-1 تزریق کرده ایم. در این ساختار نانولوله جناغی13) 1،(0 را به کار کار بردهایم که دارای شعاع a1nm و گاف نواری a0/8 eV میباشد. دور نانولوله ، عایق گیت استوانهای HFO2 با ثابت دیالکتریک 16 و ضخامت 2nm نانولوله قرار گرفته است. کانال CNT بدون ناخالصی و به طول 20nm میباشد که به ترتیب 10nm و 5nm، مجاور درین و سورس در کانال، ناخالصی تزریق شده است و ناحیه بین این دو قسمت بدون ناخالصی میباشد. نواحی سورس و درین که طول هر کدام 20nm است، با اتمهای نوع n آلائیده شده اند. غلظت ناخالصی در نواحی سورس و درین1nm -1 در نظر گرفته شده است. برای مقایسه این ساختار با ساختار DH-CNTFET، ساختارDH-CNTFET علاوه بر C-CNTFET شبیهسازی شده است که در شکل 1 (ب) نشان داده شده است و ویژگیهای هندسی و فیزیکی مشترک این سه افزاره در جدول 1 نشان داده شده است. طول هاله با غلظت 0/6nm -1 در ساختار DH بگونهای انتخاب شده است که در مقایسه با TG دارای جریان اشباع برابر باشد. به روش سعی و خطا طول هاله در دو طرف سورس و درین برابر 4nm در طول کانال 20nm انتخاب شده است. دما در تمامی شبیهسازیها 300 درجه کلوین یا دمای اتاق است. طول کانال، طول هاله، غلظت هاله همانطور که در بخشهای بعدی گفته خواهد شد تغییر میکند.
.3 روش شبیه سازی
برای شبیهسازی رفتار ترانزیستور باید معادلات پواسون و انتقال را حل کنیم. معادله پواسون کنترل گیت بر کانال و معادله انتقال، انتقال بار بین سورس و درین را شبیهسازی می کند. برای یک چگالی بار معین، معادله پواسون برای بدست آوردن پتانسیل الکتروستاتیک در کانال نانولوله حل میشود و برای یک CNTFET با گیت استوانهای ترجیحا معادله پواسون را در مختصات استوانهای حل کنیم .[15] از آنجا که پتانسیل و چگالی بار در اطراف نانولوله نامتغیر است، معادله پواسون یک مسئله دو بعدی در طول لوله (در جهت (z و در جهت قطر (در جهت (r می باشد و به صورت (1) است:
(1)
که در آن پتانسیل الکتروستاتیکی، ثابت دیالکتریک و چگالی بار شبک ه است .[16, 17] سپس پتانسیل محاسبه شده به عنوان ورودی برای معادله انتقال استفاده میشود که معادله انتقال (معادله شرودینگر) بوسیله فرمول NEGF حل میشود. تابع گرین تاخیر یافته1 برای افزاره به صورت (2) میباشد:
(2)
و به ترتیب خودانرژی2 سورس و درین هستند، یک مقدار بسیار کوچک است، انرژی است، ماتریس همانی و هامیلتونی CNT می باشد. همانطور که در معادله (2) مشاهده میشود انتقال در اینجا کاملا بالستیک در نظر گرفته شده است .[8, 18]
هامیلتونی افزاره بکار رفته در این مقاله براساس تقریب تنگبست3 نزدیکترین همسایگی اوربیتال اتمی PZ است. هندسه استوانهای افزاره که در شکل 1 نشان داده شده است، تقارن در جهت زاویهای را تضمین میکند، در نتیجه شدیدا رفتار فضای مد4 انتقال الکترون را ساده میکند.
رابطه ماتریس هامیلتونی برای زیرباندها5 با عدد کوانتومی q در یک CNT جناغی به صورت (3) میباشد:
(3)
که در آن ، نزدیکترین پارامتر هاپینگ همسایگی و N تعداد کل حلقههای کربن در طول افزاره است. در اینجا المانهای قطری متناظر با پتانسیل الکتروستاتیک یک سایت در طول سطح لوله با حل معادله پواسون بدست میآید .[19]
همه ورودیهای تابع خودانرژی بجز المان 1)،(1 صفر است.
(4)
به طور مشابه در تنها المان (N, N) غیر صفر است و با معادله ای مانند معادله (4) تنها با این تفاوت که با جایگزین میشود، بدست میآید. چگالی بار با حل تابع گرین ) ) به عنوان LDOS سورس (درین) به صورت محاسبه میشود که در آن پهنشدگی سطح انرژی6 به دلیل کانتکت سورس (درین) است.
چگالی بار در افزاره با انتگراگیری LDOS به صورت (5) محاسبه میشود.
(5)
که در آن بار الکترون، تابع علامت، سطح فرمی سورس (درین) و چگالی محلی حالتها به دلیل کانتکت سورس (درین) است که با روش NEGF محاسبه شده است. چون باند هدایت و ظرفیت CNT متقارن است، سطح خنثای بار در وسط شکاف باند قرار دارد .[20, 21]
برای یک چگالی بار معین، معادله پواسون برای بدست آوردن پتانسیل الکتروستاتیک در کانال نانولوله حل میشود و سپس پروفیل پتانسیل محاسبه شده به عنوان ورودی برای معادله انتقال استفاده میشود و یک تخمین مناسب برای چگالی بار بدست میآید. تکرار بین معادله پواسون و انتقال نیز تا جایی ادامه پیدا می کند که حل خودسازگار حاصل شود. سپس جریان توسط فرمول (6) Landaur-Buttiker محاسبه میشود.
(6)
که در آن ضریب انتقال1 در فرمول NEGF است، بار الکترون و ثابت پلانک است. در این مقاله نتایج از این روش شبیهسازی بدست میآید.
.4 نتایج شبیه سازی و مباحث
شکل 2 مشخصه خروجی TG-CNTFET، DH-CNTFET و C-CNTFET را نشان میدهد. جریان اشباع در ساختار TG-CNTFET و DH-CNTFET نسبت به ساختار CNTFETپایه کاهش یافته است که این ناشی از توزیع حاملها در ناحیه کانال است، زیرا به دلیل وجود ناخالصی در نزدیکی سورس ساختارهای TG و DH، ولتاژ آستانه در آنها تا حدی بالاتر از ساختار C-CNTFET میشود.
مشخصه IDS-VGS برای سه ساختار ذکر شده در شکل 3 با یکدیگر مقایسه شده است. در این شکل مشاهده میشود که جریان نشتی افزاره با ساختار TG از دیگر ساختارها کمتر است. اعمال ساختارهای TG و DH باعث کنترل تزریق حامل ها از دو سمت سورس و درین می شود. هاله سمت سورس، تزریق الکترونها را کنترل میکند و هاله سمت درین باعث کنترل ورود حفرهها به داخل کانال میشود و در مجموع هر دو باعث کاهش تونلزنی باند به باند خواهند شد .[22] در واقع به دلیل بیشتر بودن میزان ناخالصی نوع p در کانال ساختار TG میزان بازترکیب حامل ها در ناحیه کانال آن بیشتر بوده و جریان تونلزنی که عامل عمده ایجاد جریان نشتی است، بیشتر تحت تاثیر قرار خواهد گرفت. لذا این ساختار منجر به مشخصه بهتری برای عملکرد در ناحیه خاموش میشود.
در ادامه برای نشان دادن برتری مدل پیشنهاد شده، تاثیر طول کانال و ناخالصی کانال بر افزاره بررسی شده است. طول کانال بین 15 تا 35 نانومتر تغییر داده شده است و دو ناخالصی 0/4 و 0/6 بر نانومتر برای هالهها در نظر گرفته شده است. همانطور که قبلا اشاره شد، در ساختار TG-CNTFET در سمت سورس% 50 و در طرف درین %25 کانال، با ناخالصیای که چگالی آن معادل چگالی ناخالصی هالهای در DH-CNTFET است، اشغال شده است. در اینجا معیارهای شایستگی1 برای ارزیابی افزاره، ویژگیهای خروجی مانند جریان روشن، جریان خاموش، نسبت جریان روشن به خاموش، تاخیر و حاصلضرب تاخیر در مصرف توان هستند.
همانگونه که قبلا بیان شد، هر دو ساختار DH و TG باید جریان اشباع برابری داشته باشند تا بتوان آنها را در شرایط قابل قبولی مقایسه کرد. بنابراین قبل از انجام مقایسههایی برای ویژگی های خروجی، جریان اشباع برای TG را در ناخالصیها و طولهای کانال متفاوت بدست میآوریم. باید طول هاله ساختار DH را به گونهای که ولتاژ آستانه آن با ساختار TG برابر باشد، بدست آورد. در طول کانال و ناخالصی ثابت، طول هالههای متفاوت را برای بدست آوردن جریان اشباعی که معادل با ساختار TG است، بدست میآوریم. همه ادوات با ابعاد و ناخالصیهای متفاوت با این روش تنظیم میشوند.
در شکل 4 (الف) و (ب) به ترتیب جریان روشن و جریان خاموش در مقابل طول کانال نشان داده شده است. جریان روشن در بایاس و جریان خاموش در بایاس و محاسبه شدهاند.
