توضیحات

عنوان فارسی: بررسی رفتار ترانزیستورهای اثر میدانی نانو نوار گرافنی و شبیه سازی سه بعدی کوانتومی آن

عنوان انگلیسی:

Scaling Behaviors of Graphene Nanoribbon FETs: A Three-Dimensional Quantum Simulation Study

چکیده

در این مقاله رفتار ترانزیستور اثر میدانی نانو نوار گرافنی (GNR) با سد شاتکی (SBFET) از طریق حل خود سازگار تابع غیر تعادلی گرین (NEGF) در مقایس اتمی و با استفاده ازتابع پوآسن سه بعدی بررسی می شود.در کانال از یک GNR آرمچیر شبیه یک نانو لوله کربنی زیگزاگ استفاده شده است اگرچه تفاوت هندسی تحدید کوانتومی باند هدایت در انتقال مستقیم موثر است. نتایج نشان می دهد که مشخصه جریان ولتاژ (I-V) به شدت به پهنای نانو نوار گرافنی بستگی دارد. چون از طریق آزمایشات اخیر مشخص شده است که شکاف انرژی نانو نوار تقریبا با پهنای آن رابطه عکس دارد.یک گیت با هندسه چند لایه ضریب آزادی را در کانل های کوچک بهبود می بخشد اگرچه این پیشنهاد تاثیر کمی در ترانزیستور ماسفت سیلیکونی، جریان حالت روشن و هدایت انتقالی دارد. کاهش ضخامت اکسید جهت افزایش کارایی ترانزیستور بسیار موثر است که با زیاد در عیق گیت استفاده می شود.افزایش قابل توجه جریان پوستی حداقل زمانی که طول کانال کمتر از بود مشاهده گردید زیرا جرم موثر کوچک ضریب آزادی را در تونل زنی سورس – درین افزایش می دهد. GNRFET نمی توان به صورت نامحدود کاهش داد سرعت کلید زنی ذاتی یک GNRSBFET بارها سریع تر از ماسفت سیلیکونی استکه آن را برای استفاده در کاربردهای الکترونیکی سرعت بالا مناسب می کند.

کلمات کلیدی: انتقال بالستیک ، شبیه سازی افزاره ، ترانزیستور اثرمیدان گرافنی ، انتقال کوانتومی ، سد شاتکی ، ترانزیستور مقیاس کوچک

مقدمه

در زمینه پیشرفت سیستم های پردازش اطلاعات عددی در دهه های گذشته ، تغییر مقیاس ترانزیستورهای سیلیکونی موضوع اصلی بود . در حال حاضر، ترانزیستور Si در مقیاس پایین 100 nm تولید می شود و پا به دنیای نانوالکترون ها می گذارند . با معرفی حدود تغییر مقیاس ترانزیستورهای اثر میدانی سیلیکونی گروهی از افزاره های مرسوم با اتصالات درین-سورس ناخالص شده ،گیت رسانایی کانال را مدلسازی می کند . اگر درین وسورس فلزی ، جایگزین درین وسورس نیمه رسانای ناخالص شده شود ، SB میان اتصالات و کانال ، ویک SMFETبدست می آید.از تحقیقاتی نو ظهور نیز مورد بررسی قرار گرفتند در میان آنها FET های با ساختار نانو کربن ، به دلیل ویژگیهای انتقال خوب حامل ، جزء پیشرو در این مقوله است . ترانزیستور CNTFET با عملکرد عالی ارائه شده است. الکترونیک گرافن با هدف پیشرفت در ساخت و طراحی یک لایه گرافن ، از موضوعات تحقیقاتی در این زمینه است . یک لایه نازک گرافن مثل گرافن نانو کربن GNR می تواند با توجه به ساختارش فلزی یا نیمه رسانا باشد . تحرک زیاد و ناخواسته گرافن و GNR (~10000cm²/vs)به لحاظ تجربی وآزمایشگاهی نشان داده می شود. این عمل نوید بخش انتقال بالستیک در مقیاس نانو GNRFET است. شکل کانال GNRFET می تواند از طریق لیپوگرافی نشان داده شود که امکان کنترل بالقوه آن را بهتر مهیا می سازد .مفهوم مدار گرافن زمانیکه با GNRFET از طریق اتصالات داخلی GNR فلزی ، در ارتباط است نشان داده شده است . بتازگی ،پیشرفت های زیادی در زمینه ساخت س افزارهه ای اثرمیدانی گرافن حاصل شده است . بررسی های تئوری اخیر به محدودیت های اجرایی GNRFET دست یافته اند . هر چند این بررسی ها بر اساس یک مدل انتقال نیمه کلاسیک بوده که از یک روش ساده الکترواستاتیکی استفاده می کند . اثرات تونل زنی کوانتومی و اثرات کانال کوتاه الکترواستاتیکی از دسته عواملی اند که در بهبود تغییر مقیاس و حدود نهایی تغییر مقیاس FET با سد شاتکی (SBFETs) مشکل ایجاد می کنند در اینجا نمی توان اثرات تونل زنی را نادیده گرفت .این مقاله ،یک بررسی جامع بر روی چگونگی تغییر مقیاس GNRFET، از طریق حل معادله انتقال کواتمی بر اساس تابع گرین غیرتعادلی (NEGF) با یک معادله پواسون سه بعدی است.وابستگی مشخصات I-V ، رسانایی ، ولتاژ آستانه هدایت و ضریب (DIBL)در طول کانال مورد بررسی قرار می گیرد و برای گیت هایی به شکل تکی SG ، دوبل DG و پیچدار WG مقایسه می شود. مشخصات تغییر مقیاس ضخامت عایق گیت و ثابت دی الکتریک بررسی می شود . نقش میزان ارتباط و ارتفاع SB آزمایش می شود . تاخیر ذاتی GNRFET شبیه سازی شده و در پایان مسیر با پروژه Si FET مقایسه می شود . طریق مدلسازی جریان تونل زنی در SB در دو انتهای کانال میتوان به رفتار ترانزیستور در آستانه دست یافت.

2- بررسی

الف.ساختار افزاره

ما GNRFET را با سه شکل متفاوت از گیت در دمای اتاق شبیه سازی نمودیم .تا تاثیر شکل گیت را برروی عملکرد GNRFET بسنجیم . شکل 1(a)،SG GNRFET را نشان می دهد که از فواید فابریک سازی ساده ای در ان استفاده شده است اما برای کنترل مناسب گیت و حذف اثرکانال کوتاه بهینه نیست. شکل 1(b)، DG GNRFET است ترکیبی از تراشه گرافن بین دو گیت . شکل 1(c) ، مقطع عرضی WG GNRFET را ( در یک سطح نرمال در مسیر کانال ) نشان می دهد و گیت ، GNR را احاطه کرده است . برای فابریک سازی ، چالش برانگیزترین موضوع است هر چند برای کنترل بهتر گیت ، پیشنهاد می شود. پارامترهای اسمی افزاره از این قراراند: ضخامت اکسید گیت sio₂ است .ثابت دی الکتریک نسبی=4 € است کانال GNR ، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده لبه صندلی دارد . شاخص تراشه N ، تعداد خط های تیره کننده اتم کربن را مشخص می کند . طبق تعریف در (6) ، کانال GNR با لبه صندلی ، پهنای تقریبی 13.5با باند گپ دارد.طول کانال است. درین-سورس فلزی مستقیما به کانال GNR متصل می شود و ارتفاع SB میان کانال و درین –سورس نصف باند گپ GNR است. ولتاژ باند مسطح صفر است. از یک ولتاژ تغذیه انرژی استفاده می شود . پارامترهای افزاره اسمی برای موضوعات متفاوت در زمینه تغییر مقیاس با یکدیگر تفاوت خواهند داشت.

ب.انتقال کوانتومی مشخصات dc ، GNRFET از طریق حل معادله شرودینگر با استفادهاز فرمول NEGF ویک معادله پواسون سه بعدی شبیه سازی می شود . انتقال بالستیک نیز شبیه سازی می شود. جهت تشریح مشاهدات اتمی کانال GNR بصورت فیزیکی از یک همیلتون با اوربیتال P_z استفاده می شود. هنگامی که S، P_y، P_x از سطح فرمی دور هستند و در انتقال حامل ، نقش مهمی بازی نمی کنند، برای تشریح فیزیکی اتمی ، یک اوربیتال Pz در هر اتم کافی است. پارامتر جفت شونده اوربیتال P_z ،3ev است وتنها همسایه نزدیک جفت شونده ملاک می شود . در این مقاله بجای روش مدل فضایی از روش مدل واقعی استفاده می شود . روش مدل فضایی به لحاظ محاسباتی مفید است هر چند در مسیر عرضی به یک پتانسیل یکنواخت نیاز دارد. جهت بهبود تغییر احتمالی پتانسیل در مسیر عرضی کانال ، از یک روش فضای-واقعی استفاده می کنیم .افزاره رویداد سبز مربوطه بدین گونه محاسبه می شود :

Hماتریس همیلتون پیوندی کانال GNR است . U ماتریس پتانسیل خودسازگاراست که از طریق حل معادله پواسون سه بعدی بدست می اید . ₁∑ و₂ ∑ انرژی های اتصالات درین و سورس فلزی است (همانگونه که در شکل 2 نشان داده شده است) . چگالی بار بدین گونه محاسبه می شود :

Q میزان بار الکترون است sgn(E) نماد عملکرد است. سطح فرمی (درین ) سورس است و D(E,x) چگالی موضعی موقعیت به دلیل اتصال (درین) سورس است که از طریق روش NEGF محاسبه می شود . سطح خنثائی بار در میان گپ باند است زیرا باند رسانا و باند والانس GNR متقارن اند.

ج. الکترواستاتیک سه بعدی

پتانسیل خودسازگار ، از طریق چگالی بار و پتانسیل الکترود ها با استفاده از معادله پواسون محاسبه می شود.

U(f) انرژی پتانسیل الکترون است که داده قطری ماتریس انرژی پتانسیل را مشخص می کند . ثابت دی الکتریک است و چگالی بار است . برای ساختارهای شبیه سازی شده ، میدان الکتریکی در تمامی ابعاد تغییر می کند به همین دلیل با استفاده از روش عنصر-محدود (FEM) ،معادله پواسون به صورت خنثی حل می شود. جهت بهبود حدود و شکل پیچیده افزاره میان متریال های متفاوت دی الکتریک ، FEM فواید بسیاری دارد.