۵۶

شکل(۴-۱۹): منحنی مشخصه ()

۵۶

شکل(۴-۲۰): منحنی مشخصه ()

۵۷

شکل(۴-۲۱): منحنی مشخصه () برای ساختارهای مختلف

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

۵۷

(تقدیم به دکتر رضا یوسفی)
لازم می دانم با نهایت احترام این تحقیق علمی را به استاد فرهیخته ام جناب آقای دکتر رضا یوسفی که از ابتدای تحصیل در مقطع عالی تا کنون کمک ها و راهنمایی هایی کم نظیر جهت تغییر دیدگاهم به دانش انجام داده اند تقدیم نمایم.
چکیده
در این پایان نامه ابتدا مقدمه­ای از گرافن، روش ساخت، مزایا و کاربردهای آن در ترانزیستورهای اثر میدانی و تحقیقات انجام شده استخراج و مورد بررسی قرار خواهد گرفت، سپس مروری بر ساختار ترانزیستورهای اثر میدانی مبتنی بر نانو نوار گرافن خواهیم داشت و روش های شبیه‏سازی­ ترانزیستورهای اثر میدانی مبتنی بر نانو نوار گرافن معرفی و فرمول های محاسبه و شبیه سازی مبتنی بر تابع گرین غیرتعادلی معرفی می گردد. در ادامه پارامترهای موثر بر مشخصات گذرای ترانزیستورهای اثرمیدانی مبتنی بر نانو نوار گرافن، ارائه و نتایج شبیه‏سازی­های مبتنی بر تابع گرین غیرتعادلی برای ترانزیستور اثر میدانی نانو نوار گرافن ماسفتی ترسیم می­گردد. نهایتا اثرات تغییر ساختار برمنحنی مشخصه­های ترانزیستورهای اثرمیدانی مبتنی بر نانو نوار گرافن ، به روش تابع گرین غیرتعادلی با هدف بررسی تغییر پارامترهای موثر بر پاسخ گذرا مورد ارزیابی قرار می گیرد.
فصل اول
مقدمه
فصل اول
مقدمه
در سال ۱۹۶۱، دانشمندان پیش بینی کردند که هیچ ترانزیستور در یک تراشه نمی تواند کوچکتر از ۱۰ میلیونیم یک متر شود]۱[. در حالی که بعدا تراشه های پنتیوم های مدرن اینتل ۲۰۰ برابر کوچکتر از آن شد. محققان در حال حاضر در حال کار روی روش های مبتکرانه برای ساخت افزاره های کوچک تر هستند. به طور خاص، چندین افزاره نانوالکترونیک مانند ترانزیستورهای اثر میدانی نانولوله کربن ]۱-۳[ ترانزیستورهای اثر میدانی میدانی نانوسیم سیلیسیم]۱-۳[ ، و نیمه هادی مرکب مسطح ]۳-۵[ در حال ظهور هستند. همه آنها را به عنوان نامزدهای بالقوه برای مجتمع سازی بر روی پلت فرم یکپارچه سیلیکون برای افزایش عملکرد مدار و همچنین برای گسترش قانون مور پیشنهاد می شوند]۱[. با کوچک سازی فوق العاده ترانزیستور اثر میدانی چالش های جدید بوجود می آیند، به عنوان مثال یکی از چالش ها اثرات قابل ملاحظه­ای از جمله آثار نامطلوب کانال کوتاه، کمترشدن سرعت سوئیچینگ، زیاد شدن جریان نشتی و درنتیجه بالارفتن توان مصرفی در مدارهای کاربردی پدیدار می­ شود. همین دلایل، موجب جستجوی یافتن افزاره ها یا مواد جدید شد که قادر به ادامه مسیر کوچک سازی ترانزیستورها مطابق با قانون مور باشد. یکی از گزینه های مناسب برای کانال در ترانزیستورهای آینده، می تواند مبتنی بر گرافن باشد. استفاده از گرافن[۱] به منزله مجموعه ای از نانو نوار به عنوان مبنایی برای ترانزیستورهای اثر میدانی[۲] مدتی است که موجب جلب نظر ویژه ای شده است‏‏‏. این ماده یک کلاس جدید از مواد در خانواده کربن است که برای توسعه دستگاه های نانو الکترونیکی امیدوار کننده است.[۲،۳]
گرافن نام یکی از آلوتروپ های کربن است و بصورت یک شبکه دو بعدی (۲D) از اتم های کربن است که در یک پیکربندی شش ضلعی اتم ها با هیبرید SP2 به هم متصل شده اند. در گرافیت (یکی دیگر از آلوتروپ های کربن)، هر کدام از اتم‌های چهارظرفیتی کربن، با سه پیوند کووالانسی به سه اتم کربن دیگر متصل شده‌اند و یک شبکه گسترده را تشکیل داده‌اند. این لایه خود بر روی لایه‌ای کاملاً مشابه قرار گرفته‌است و به این ترتیب، چهارمین الکترون ظرفیت نیز یک پیوند شیمیایی داده‌است، اما پیوند این الکترون چهارم، از نوع پیوند واندروالسی است که پیوندی ضعیف است. به همین دلیل لایه‌های گرافیت به راحتی بر روی هم سر می‌خورند. گرافن ماده‌ای است که در آن تنها یکی از این لایه‌های گرافیت وجود دارد و به عبارتی چهارمین الکترون پیوندی کربن، به عنوان الکترون آزاد باقی مانده‌است. در یک صفحه گرافن، هر اتم کربن با ۳ اتم کربن دیگر پیوند داده است. این سه پیوند در یک صفحه قرار دارند و زوایای بین آن‏ها با یکدیگر مساوی و برابر با °۱۲۰ است. در این حالت، اتم‏های کربن در وضعیتی قرار می‏گیرند که شبکه‏‌ای از شش ضلعی‏های منتظم را ایجاد می‏کنند. البته این ایده‏آل‏ترین حالت یک صفحه‏ ی گرافن است. در برخی مواقع، شکل این صفحه به گونه‏ای تغییر می‏کند که در آن پنج‌ضلعی‏ها و هفت‌ضلعی‏ هایی نیز ایجاد می‏شود. طول پیوند کربن ـ کربن در گرافن در حدود ۰.۱۴۲ نانومتر است.
کشف گرافن که ورقی به ضخامت یک اتم از اتم های کربن مرتب شده در یک شبکه لانه زنبوری موجب شد فیزیکدانان برجسته آندره کی جیم و کنستانتین نوولسو[۳] هر دو از دانشگاه منچستر در انگلستان، در سال ۲۰۱۰ جایزه نوبل در فیزیک را به دست آورند. هنگامی که نانولوله های کربنی و گلوله های توپی ها کشف شد این ایده که یک ورق ” مستقل” گرافن، فیلم کربن به ضخامت یک اتم که به صورت ثابت و یا به حالت معلق که محکم به هم متصل نیست می تواند از هم جدا شود از ۱۹۸۰ بررسی شده بود]۱[، اما پس از سالها تلاش ناموفق برای جدا کردن گرافیت به ورق گرافن تشکیل دهنده آن محققان در اوایل این دهه به این نتیجه رسیدند بودند که گرافن مستقل نمی تواند جدا شود . اصول ترمودینامیک پیش بینی کرد که مواد خود به خود به صورت نانولوله و یا دیگر ساختار منحنی شکل جمع می شوند. با این حال در سال ۲۰۰۴، آندره کی گیم و کنستانتین نوولسو بر روی یک روش شگفت آور ساده برای لایه برداری تراشه کمی از گرافیت کار می کردند که با تکرار چسباندن نوار چسب در برابر کریستال و کندن از هم نوار گرافن بدست می آمد. تیم آنها نشان داد که نه تنها ورق گرافن می تواند جدا شود بلکه به خصوص در دمای اتاق پایدار باقی می ماند. کشف این روش ابتدایی برای جدا کردن ورق گرافن منجر به انفجار در تحقیقات گرافن شد. این مواد به سرعت تبدیل به یک انتخاب برتر برای برنامه های کاربردی پیشرفته کامپیوتر ]۲،۳[، صفحه نمایش دیجیتال ]۲،۳[و انواع دیگر مدار انعطاف پذیر الکترونیک]۱-۳[ و مواد کامپوزیت پیشرفته شد. امکان استفاده از گرافن در کاربردهایی به شیوه ی مشابه برای نانولوله های کربنی مطرح شده است.
دلیل اینکه نانو نوار گرافن برای آینده برنامه الکترونیکی دیجیتال بسیار مناسب هستند نه تنها به خاطر اندازه کوچک که ویژگی های بالقوه خود به ویژه خواص الکترونیکی و حرارتی است [۶]. یکی از خواص نانو نوار گرافن این است که انتقال حامل آن یک بعدی است. این نوع از انتقال می تواند اثر پراکندگی[۴] را مهار نماید و در عین حال می تواند موجب انتقال بالستیک شود. به عنوان یک نتیجه، اتلاف قدرت نانو نوار گرافن بسیار کم است.
نانو نوار گرافن دارای ویژگی های الکتریکی هستند که کاملا شبیه به هم می باشند و می تواند گاهی اوقات حتی بهتر از خاصیت الکتریکی نانولوله های کربنی باشد [۷]. بر خلاف نانولوله های کربنی، آزمایش اخیر [۸] نشان داد که همه نانو نوارهای گرافن زیر ۱۰ نانومتر نیمه هادی هستند که در اثر لبه است و باعث می شود آنها را برای برنامه های کاربردی دستگاه های الکترونیکی جذاب تر کند [۹] . مهمتر از همه، در نانو نوارهای گرافن ویژگی های الکتریکی مطلوب در مقایسه نانو لوله های کربنی مانند رفتارهای تحرک حامل بالا و انتقال بالستیک به دست آمده است.
یکی از کاربردهای نانو نوار گرافن در ترانزیستورهای اثر میدانی است. در یک ترانزیستور اثر میدانی حامل ها در جهت عادی کانال و به حرکت در دو بعد محدود می شود [۱]. در طول چند سال گذشته، توانایی ساخت ترانزیستورهای اثر میدانی از نانو نوار به سرعت در حال پیشرفت است [۱۶-۲۱] زیرا ساختار ترانزیستور اثر میدانی نانو نوار گرافن[۵] اساسا شبیه ساختار ترانزیستور اثر میدانی نیمه‌رسانا-اکسید-فلز[۶] است به جز اینکه کانال سیلیکون توسط نانو نوار گرافن جایگزین شده است. با این حال، تغییر آرایش دستگاه را در جهت بهبود عملکرد نگه می دارد. این ساختار می تواند به شکل ترانزیستور اثر میدانی نانو نوار گرافن گیت فراگیر و ترانزیستور اثر میدانی نانو نوار گرافن تک گیتی و ترانزیستور اثر میدانی نانو نوار گرافن دو گیتی طبقه بندی شود.
ترانزیستور اثر میدانی نانو نوار گرافن تک گیتی تنها دارای یک گیت که یا در پایین یا بالای ساختار است. ساختار گیت پایین دارای امتیاز ساخت آسان است اما برای کنترل گیت خوب و جلوگیری از اثرات کانال کوتاه بهینه سازی نشده است[۱۰].
دستگاه های گیت بالا با دی الکتریک بالا (K) به طور قابل توجهی می تواند ولتاژ سوئیچینگ مورد نیاز را کاهش می دهند و اجازه می دهد آرایه دستگاه به طور مستقل و مدارهای عملکردی قابل آدرس دهی باشند ، و به همین دلیل دارای منافع قابل توجهی هستند[۱۱].
ترانزیستور اثر میدانی نانو نوار گرافن گیت فراگیر بیشتر برای ساخت به چالش کشیده می شود.با این حال، کنترل گیت ایده آلی را ارائه می دهد [۱۰] که قادر به غلبه بر اثرات کانال کوتاه، مانند تخلیه ناشی از کاهش سد پتانسیل است.
بسیاری از محققان ساختار سوم که از دو گیت ترانزیستور اثر میدانی نانو نوار گرافن ساخته شده را پیشنهاد نموده اند. این ساختار نانو نوار گرافن بین دو گیت به شکل ساندویچ است. مزایای ساخت آن بسیار ساده و کنترل گیت های خوب است [۱۰]. ساختار ترانزیستور دو گیتی مناسب ترین ساختار برای غلبه بر اثرات کانال کوتاه و عملکرد نزدیک به ایده آل در مقیاس نانو است.
هندسه گیت های متعدد نسبت به ترانزیستور اثر میدانی نانو سیم نیمه هادی[۷] در شرایط جریان روشنی و هدایت عرضی بهبود کمی ایجاد می کند. [۱۰]. با بهره گرفتن از ساختار دو گیتی هدایت عرضی افزایش می یابد اما دو برابر نیست.
در یک ترانزیستور معمولی همانند ترانزیستور اثر میدانی نیمه‌رسانا-اکسید-فلز[۸] یک ساختار دو گیت نسبت به یک گیت دو برابر بزرگتر ظرفیت خازنی عایق محدود می شود. بنابراین، نتیجه افزایش دو برابری ظرفیت خازنی گیت و هدایت عرضی است. برای یک ترانزیستور که در محدودیت های ظرفیت خازن کوانتومی عمل می کند (که در آن ظرفیت خازنی عایق گیت بسیار بزرگتر از خازن نیمه هادی کانال است) [۱۲‏،۱۳] ، کل خازن گیت توسط خازن نیمه هادی محدود است و آن مستقل از ظرفیت خازنی گیت عایق است. هندسه دو گیتی منجر به بهبود ظرفیت خازنی کل گیت و هدایت عرضی نمی شود.ترانزیستور اثر میدانی نانو نوار گرافن دارای یک کانال ۱D با دو لایه از اتم های کربن است. خازن نیمه هادی کوچک آن (با توجه به تراکم کم حالت ها) باعث می شود آن نزدیک به محدودیت خازنی کوانتومی نسبت به ترانزیستور اثر میدانی نانو سیم نیمه هادی عمل کند. نتیجه امتیاز استفاده نانو نوار گرافن نسبت به ساختارهای گیت های متعدد ، ابعاد کوچکتر آن است.
در این پایان نامه ابتدا مقدمه­ای از گرافن، روش ساخت، مزایا و کاربردهای آن در ترانزیستورهای اثر میدانی و تحقیقات انجام شده استخراج و مورد بررسی قرار خواهد گرفت، سپس در فصل دوم مروری بر ساختار ترانزیستورهای اثر میدان مبتنی بر نانونوار گرافن خواهیم داشت و در فصل سوم روش های شبیه‏سازی­ ترانزیستورهای اثر میدانی مبتنی بر نانونوار گرافن معرفی و فرمول های محاسبه و شبیه سازی مبتنی بر تابع گرین غیرتعادلی معرفی می گردد و در فصل چهارم پارامترهای موثر در مشخصات گذرای ترانزیستورهای اثرمیدانی مبتنی بر نانو نوار گرافن ارائه و نتایج شبیه‏سازی­های مبتنی بر تابع گرین غیرتعادلی برای ترانزیستورهای اثر میدانی نانو نوار گرافن ماسفتی ترسیم می­گردد، در فصل چهارم عوامل موثر بر مشخصات گذرا معرفی و چند ساختار پیشنهادی شبیه سازی شده و نتایج استخراج شده از شبیه­سازی آنها، مبتنی بر تابع گرین غیرتعادلی مورد ارزیابی قرار می گیرد، در فصل پنجم نتیجه گیری و پیشنهادات خود را ارائه خواهیم داد.
فصل دوم
گرافن و ترانزیستورهای اثر میدانی مبتنی بر نانو نوارگرافن
فصل دوم
گرافن و ترانزیستورهای اثر میدانی مبتنی بر نانو نوار گرافن
در این گفتار ابتدا تعریفی از نانو نوار گرافن، ساختار هندسی و روش های تولید آن­ ارائه خواهد شد و سپس انواع ترانزیستورهای مبتنی بر نانو نوار گرافن ، معرفی و ساختار آنها معرفی خواهد شد.
۲-۱- معرفی نانو نوار گرافن
ساختار منحصر به فرد گرافن با پایه کربنی و دانسیته اتمی بالا و خواص غیر عادی آن نظیر سختی و استحکام مکانیکی زیاد‏، رسانایی الکتریکی و حرارتی بسیار بالا و قابل تنظیم و همچنین خصوصیات عالی نوری آنرا مورد توجه خاص دانشمندان قرار داده است[۲۲-۲۴].
گرافن با ساختار اتمی کاملا مسطح وجود ندارد، صفحه های گرافن انعطاف پذیرند یعنی خم و تا می شوند و یا سطحشان موج دار می شود. خمیدگی های بزرگ مربوط به روش تهیه گرافن است و موج های کوچک خاصیت ذاتی لایه های جدا شده است[۳].
(الف) (ب)
شکل (۲-۱): الف:تصویر گرافن ایده آل، ب: مدل های آن در حالت واقعی.
سلول واحد شش وجهی گرافن دو اتم کربن دارد و سطح مقطعی برابر ۰۵۲/۰ نانومتر مربع دارد. بر اساس محاسبات چگالی آن۷۷/۰ میلی گرم بر متر مربع است. گرافن تقریباً شفاف است. فقط ۳/۲% از شدت نور را مستقل از طول موج در دامنه اپتیکی جذب می کند. این عدد بیانگر آن است که گرافن معلق هیچ رنگی ندارد. مقاومت شکست گرافن ۴۲ نیوتن بر متر مربع است. برای یک فیلم نازک فرضی از فولاد با ضخامت مشابه گرافن، (ضخامت لایه ای ۳/۳۵ آنگستروم از گرافیت) مقاومت شکست در حدود ۰۸۴/۰-۴۲/۰ نیوتن بر متر مربع خواهد بود و نشانگر آن است که استحکام گرافن ۱۰۰ برابر فولاد است. مقاومت ورقه دو بعدی گرافن که مقاومت بر واحد سطح نیز گفته می شود، ۳۱ اهم است. رسانایی الکتریکی گرافن در مقایسه با مس کمتر می باشد و هادی بهتری خواهد بود. رسانایی گرمایی گرافن تقریباً ۵۰۰۰ وات بر متر درجه کلوین اندازه گرفته شده است. رسانایی گرمایی مس در دمای اتاق ۴۰۱ وات بر متر درجه کلوین است. یعنی گرافن ۱۰ برابر بهتر از مس گرما را منتقل می کند.

موضوعات: بدون موضوع  لینک ثابت


فرم در حال بارگذاری ...