شبیه سازی ترانزیستورهای اثرمیدانی نانو لوله کربنی CNTFET در Nano hub به کمک FETTOY

مقاله  (ترجمه) در زمینه شبیه سازی ترانزیستورهای اثرمیدانی نانو لوله کربنی  CNTFET  در   Nano hub به کمک FETTOY – از این مطلب میتوانید در پایان نامه ، مقاله ، سمینار و شبیه سازی و … خود استفاده بنمایید.

نویسنده: هسینا هوگ¹، بشیرول پولاش¹، اسکار مچادو² و نورا اسپینوزا¹

¹دانشگاه تگزاس-پن آمریکا، ²دانشگاه ال پاسو تگزاس ایالات متحده آمریکا

 مقدمه

پیشرفتهای اخیر در فناوری ترانزیستورهای اثرمیدانی نانو لوله کربنی یک دید جدیدی از سیستم‌های نانوالکترومکانیکی (NEMS) را به ما نشان می‌دهد. نانو لوله‌های کربنی (CNT) باتوجه به ساختار شیمیایی و فیزیکی، کم جرمی و سختی خاص آنها گزینه مناسبی برای NEMS است. مطالعه افزاره‌های NEMS در مکانیک کوانتوم نور نیاز به درک متقابل فیزیک، هندسه و پارامترهای برقی سیستم دارد(Dang et al., 2006). ارائه تحلیلی (CNT) مبتنی بر ترانزیستور اثرمیدانی به توسعه کاربردهای NEMS فرکانس بالا به‌منظور بررسی ویزگی‌های مشاهده شده از افزاره‌های ساخته شده می‌پردازد. مدل‌های تحلیلی ما را برای بدست‌آوردن بینش عمیقی از کارآیی و رفتار افزاره‌ها قادر می‌سازد. مدل تحلیلی توسعه یافته از CNTFETsها نشان‌دهنده وجود کاربردهای ترانزیستور برای کلیدهای NEMS، مدارات  RF، سلول‌های حافظه، نمایشگرهای انتشار میدانی، ابزارهای زیست پزشکی و غیره می‌باشد(Polash & Huq, 2008).شبیه سازی ترانزیستورهای اثرمیدانی نانو لوله کربنی  CNTFET  در   Nano hub به کمک FETTOY

اتصالات فلز-نانو لوله در CNTFETها سد شاتکی تلقی می‌شود و با استفاده از یک مدل بالستیک تحلیل می‌شود(Natori et al., 2005). فرمول مشهور Landauer برای محاسبه هدایت لوله مربوط به وابستگی انرزی تابع احتمال انتقال در تقریب اتصال نازک برای CNTFET استفاده می‌شود(Datta, 2000). تابع انتقال CNT در روابط توابع سبز رسانا و اتصالات برای هدایت منجرشده بیان می‌شود. توابع سبز در انتقال همیلتونین بر طبق محاسبه جریان تونل‌زنی قرار داده شده است. معادله انتقال توابع سبز غیر-تعادلی با تکرار معادله پواسون برای بهبود همگرایی عددی حل شده است.  چگالی بار با یکپارچگی عام تک بعدی چگالی-حالت  تنها با تابع توزیع فرمی-دایراک سورس-درین بیش از انرژی با فاصله انرژی برای CNT محاسبه می‌شود. محاسبات نشان می‌دهد که افزاره پیشنهای می‌تواند عملیات پایدار درسطوح جریان بالا بهبود ببخشد. محدویت بالا از ویژگی افزاره‌ها برای این مدل درنظر گرفته است. تخریب در داده‌های انداره‌گیری با توجه به محدودیت در تکنولوژی ساخت افزاره و مکان اتصالی نامناسب در CNTها مشاهده شده است. تجاری سازی CNTهای NEMS/سنسور یک چالش بزرگ با توجه به قیمت و اندازه چنین تجهیزات اندازه‌گیری می‌باشد(Fujita et al., 2007). هنگامی که جریان بایاس کوچک استفاده می‌شود، اندازه‌گیری مقاومت سنسور CNTها دشوار است و دقت بالای منبع جریان و مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) حفظ مناسبت نسبت سیگنال به نویز مورد نیاز است(SNR). کنترل رشد CNT هنوز تسلط می‌شود (Javeyet al.,2005). در اتصال محل سورس-درین مکانیزمی ایده های ایده‌آل جدبد برای تخمین بهتر عملکرد NEMS مورد نیاز است. جایگزینی فلز-CNT SB اتصال با آلایش بالای CNT سورس-درین (حالت اهمی) تماس می‌تواند عملکرد NEMS را بهبود ببخشد و یکی از این ایده ها میباشد.

 CNTFETs and NEMS

نانو لوله‌های کربنی اتم کربن اندازه نانو () هستند لوله‌هایی به ساختار نانو و به شکل استوانه با ورق گرافون پیچیده شده ساخته می‌شوند. دوتا ساختار لوله‌ای اصلی وجود دارد: SWNT نانو لوله تک دیواره و MWNT نانو لوله چند دیواره (Reich et al., 2004). کربن نانو لوله‌ها روز به روز در کاربردهایی مورد استفاده قرار می‌گیرند. پیشرفت در پزشکی کمک نانو لوله‌های کربنی در برخی موارد است (Kam & Wong, 2005). یکی از پسشرفت‌ها این است که محققان برروی دستگاهای مبتنی بر CNT مانند نانوپوست، NEMS، و نقاط کوانتومی و خواص آنها کار می‌کنند. با استفاده از دستگاه‌های الکترونیکی مثل NEMS (نانو-الکترو-مکانیکال-سیستم); از آن به حمل DNA به سلول‌های سرطانی و نابود کردن آنها با حداقل آسیب به اطراف سلول‌های سالم از طریق روشهایی امکان‌پذیر خواهد بود. ادوات FET بر پایه CNT کار کردن با NEMS هوشمند پیشنهاد می‌شوند، برای ازبین بردن سلول‌های سرطانی سالم دست نخورده این امکان وجود دارد. این دستگاه‌ها به دانستن و شناسایی تهدیدهای سلولهای سرطانی قادر خواهند بود.شبیه سازی ترانزیستورهای اثرمیدانی نانو لوله کربنی  CNTFET  در   Nano hub به کمک FETTOY

CNTهای بر پایه اشیا یا ادوات میکرو/نانو می‌توانند یک محدوده‌ای از ساختارهای کوچکی را شامل بشوند، ازجمله سگدست‌ها و دیافراگم‌ها، ساختارهای ایستا، سطح‌های حساس شیمیایی و ادوات الکتریکی (مقاومت‌ها و ترانزیستورهای اثر میدانی). افزاره‌های مورد استفاده برای NEMSها شیرها، مخلوطکننده‌ها و پمپ‌ها و CNTFET می‌توانند مثل یک شیر فعال یا کلید کنترل شده عمل بکنند.

دلایل برای کوچک‌سازی NEMS استفاده از CNTها را می‌توان به شرح زیر خلاصه کرد:

1-کاهش عنصرحسگر به مقیاس ازگونه های هدف و به دست آوردنحساسیت بیشتر 2-کاهش حجم معرف و هزینه های مرتبط 3- زمان کاهش می یابدبه دلیل حجم کوچک و در نتیجه چگالی موثر بالاتر 4- قابلیت حمل آسان وکوچک کل سیستم میشود. 5-نقطه تشخیص عیب 6- قابلیت تشخیص چند عامل (Gruner., 2006).

موارد مورد نیاز ارتباطی از NEMS به  NEMS متفاوت است و حتی از آن مهمتر CNTهای مبتنی بر NEMS است. خاصیت مورد نظر مواد NEMS سازگاری، تغییر شیمیایی، ساده برای ساخت، اقتصادی و نرم مشاهده می‌شود. ازآنجا که از ابعاد و خاصیت الکتریکی، مکانیکی، شیمیایی و فیزیکی خوب CNTFETها امیتر بزرگی از میدان‌های الکتریکی ساخت. این ادوات طیف گستردهای از خواص الکتریکی مطلوب را نشان می‌دهند(Hoenlein et al., 2003)برخی از آنها در زیر ارائه شده:

• هدایت انتقالی بالا. این ویژگی تعیین عملکرد هر FET است. با توجه به اینکه نتیجه هدایت انتقتالی بیشتر در گین یا تقویت‌کنندگی بیشتر است.

• ولتاژ آستانه بهتر

• شیب زیر آستانه خوب. این ویژگی برای کاربردهای قدرت کم بسیار مهم است.

• تحرک بالا

• انتقال بالستیک. خصوصیت این نتیجه در ادوات سرعت بالا است.

• چگالی جریان بالا

• نرخ جریان قطع/وصل بالا

کاربردهای های برق ناشی از هر روز، و نه تنها در مدارهای یکپارچه اما نانولوله نیز در صنعت خودرو، علوم پزشکی، سیستم مکانیکی، الکترونیک و مقاصد تفریحی استفاده می شود.

محققان تکنولوژی نانو با مانع کم بودن سرعت پیشرفت آن به خصوص در زمینه پزشکی مواجهه شده‌اند. ما می‌دانیم که این مطالعه می‌تواند به درمان بالقوه برای سرطان منجر شود. با این حال مطالعات نشان می‌دهد که سمی بودن کربن می‌تواند برای انسان‌ها کشنده باشد. با توجه به مقالات منتشر شده در کتابخانه ملی پزشکی ایالات متحده آمریکا و موسسه ملی بهداشت، تاثیر نانولوله ها تحت شرایط مختلف بررسی شده، که نانو لوله‌ها می‌توانند مانع از عبور غشا و رسیدن به اندام شوند و می‌توانند اثرات مضر را به عنوان واکنش‌های التهابی و فیبروتیک در اندام‌های حیاتی را القاء کنند(Kam & Nadine 2005).شبیه سازی ترانزیستورهای اثرمیدانی نانو لوله کربنی  CNTFET  در   Nano hub به کمک FETTOY

 ساختار ادوات NEMS

ترانزیستورهای اثر میدانی نانو لوله‌های کربنی (CNTFETS) از طریق آزمایش ویژگی‌های خوبی را به نمایش گذاشته است، ولی هنوز مکانیسم اصلی به طور کامل درک نشده است(Line et al,.2005). تحلیل نظری CNTFETها با مانع شاتکی(SB) با استفاده از انتقال بالستیک در منطقه انتقال کوانتومی نشان داده شده است(Hasan et al., 2006). به علت خصوصیات بارز الکتریکی و مکانیکی، عملیات با سرعت بالا از دو یا سه ترمینال سوئیچ CNTFET-NEMS نشان داده شده است. از آنها برای استفاده در مدارات حافظه و یا سوئیچ‌هایRF استفاده می‌شود.

نانو لوله کربنی یک لایه تک اتمی به ضخامت ورق گرافیت نورد به استوانه بدون درز و با ابعاد نانومتر می‌باشد. از آنجا که این اختراع در سال 1991 توسط S.Ijima انجام شد، CNTها مورد توجه زیادی از محققان به دلیل خاصیت فوق العاده شیمیایی، فیزیکی، و الکتریکی قرار گرفته است . CNT می‌تواند بر اساس جهت نورد ورق گرافن فلزی یا نیمه‌هادی باشند(Iijima et al., 1992). درک در جزئیات ماهیت جهت نورد ورق گرافن درنتیجه یک عنصر مهم در توسعه قابل اعتماد CNT NEMS است. حداقل اثرات مقاومت سری و کوانتومی در سوئیچ‌های NEMS برپایه CNT حاکم بر جریان الکترونی باعث انتقال بالستیکی می‌شود.

کانال افزاره پیشنهاد شده از یک CNT  با قطر 1nm و طول 15nm ساخته شده است. الکترودهای سورس و درین در انتهای طول نانو لوله قرار می‌گیرند در حالی که الکترود گیت کابل هم محوری است که در امتداد محور لوله قرار می‌گیرد. برای عایق گیت از دی‌الکتریک K بالا اکسید زیرکونیوم(ZrO2) استفاده می‌شود. درین با یک منبع ولتاژ خارجی بایاس شده و سورس به زمین وصل شده است. خواص الکترونیکی یک نانو لوله بدست آمده از رابطه پراکندگی یک ورقه گرافیت با بردار موج (Kx,Ky) برابر است با:(Khan et al., 2007).

γ نزدیکترین پارامتر تنش همسایگی و a ثابت شبکه می‌باشد.

γ=2.5~3.2 از اندازه‌گیری‌های مختلف و a=0.246nm میباشد.

با اعمال شرایط مرزی در امتداد دور لوله کوانتیزه بردار موج دو بعدی به حالت زیر میرسیم.

که در آن C بردار کایرال نانولوله است و n,m,q اعداد صحیح هستند. این منجر به شرایطی می‌شود که هدایت فلزی رخ می‌دهد که به شکل زیر میرسیم.

شرایط فوق نشان می‌دهد که 1/3^rd لوله فلزی و 2/3^rd لوله نیمه هادی است. زمانی که m=0 است مشاهده می‌شود چگالی انرژی نواحی بالا است که این خاصیت خوب نیمه هادی را نشان می‌دهد.(Someya et al.,2003) شکل 1 نمایش شماتیکی یک CNTFET گیت کواکسیالی با کمیت تابع سبز غیرتعادلی را نشان میدهد.

شکل ‏3‑1:  نمایش شماتیکی یک CNTFET گیت کواکسیالی با کمیت تابع سبز غیرتعادلی

مدل‌سازی CNTFET ها

شکاف انرژی برای یک نانولوله نیمه هادی وابسته به قطر نانولوله است و برابر است با:

برای یک نانو لوله (13،0) با قطر لوله 1nm، dcc=0.1421 و γ=3.00 شکاف انرژی برابر است 0/8526 eV. گزارش شده که ویژگی‌های نواحی پایانی در انتهای نانولوله های تک دیواره وجود دارد. پارامترهای مورد استفاده در مدل ارائه شده و محاسبات در جدول 1 ذکر شده است.

رسانایی بین سورس و درین منجر به تعریف رابطه جریان و ولتاژ می‌شود. I=GV  و با استفاده از فرمول لانداور، رسانایی توسط معادلات زیر بیان می شود:

که q بار الکترون و h ثابت پلانک است. T به عنوان تابع انتقال از نوع انرژی است که نشان دهنده احتمال تزریق یک الکترون در یک سر یک هادی در انتهای دیگر منتشر می کنند شناخته شده است. T را می توان بیان کرد همانند:

  G0r G0aنشان دهنده تابع سبز عقب مانده و پیشرفته نانولوله می‌باشد و s,dГ اتصال CNT به سورس و درین می‌باشد.تابع سبز عقب مانده توسط فرمول NEGF محاسبه می شود:

که در آن E انرژی فرمی است، I ماتریس واحد است، H هامیلتونی از نانولوله است. s,dΣ شرایط انرژی خود در سورس و درین اتصال از تماس ها محاسبه شده با استفاده از تابع گسترش از نظر انرژی خود در سورس و درین:

رفتار نانولوله به عنوان کانال در CNTFET از سورس به درین، به چگالی جریان از نانولوله بستگی دارد. چگالی جریان از چگالی شدت جریان الکتریکی در واحد سطح در سراسر بخش اندازه گیری می‌شود چگالی جریان تراکم منطقه است که توسط J توصیف می‌شود. جریان از طریق محدوده A به سادگی شار چگالی جریان از طریق محدوده ای که در زیر نشان داده شده است:

اگر شدت  جریان از طریق یک منطقه یکنواخت باشد I = JA  و با استفاده از چگالی بار در درون ادوه، معادله انتقال negf حل تکراری شده با معادله پواسون تا زمان خودسازگار که   توزیع پتانسیل یافت شود حل شده است.در نهایت جریان با استفاده از بیان لانداور Böuttiker محاسبه می شود:

T احتمال انتقال در سراسر سورس / درین است. FS و FD  توابع توزیع فرمی دیراک سورس/درین پتانسیل سازگار، معادله به طور همزمان به ارزیابی و بررسی عملکرد این دستگاه ها حل شده است.شبیه سازی ترانزیستورهای اثرمیدانی نانو لوله کربنی  CNTFET  در   Nano hub به کمک FETTOY

 شبیه سازی

nanoHUB، منابع خوبی مبتنی بر وب  برای تحقیقات، آموزش و همکاری در فناوری نانو است.   NanoHUB.org توسط بنیاد ملی علوم و با بودجه شبکه محاسباتی ایجاد شده است. NCN شبکه ای از دانشگاه با چشم انداز به پیشگام توسعه فناوری نانو، از علم به تولید از طریق تئوری های نوآورانه، شبیه سازی اکتشافی، و زیرساخت های اینترنتی جدید میباشد. کار تحقیقات از نانو زیستی، سیستم های نانو الکترومکانیکی، نانوالکترونیک به پروژه های خاص، ارائه اطلاعات برای nanoHUB به رشد است.  این ابزار شبیه سازی موجود در nanoHUB.org است و یک تصویر 3D از نانولوله ایجاد می کند و می دهد “انرژی برحسب محور بردار موج “، “پایین ترین زیر باند” و “چگالی حالتها (DOS) بر حسب انرژی”.

 مشخصات V-I

FETToy یک ابزار است که شبیه سازی مشخصات IV بالستیک از MOSFET است. آن شبیه سازی می‌کند از single gate MOSFET  تا double gate MOSFET تا Silicon Nanowire MOSFET تا Carbon Nanotube MOSFET.با استفاده از ابزار شبیه سازی ویژگی های CNTFET با ساختار دستگاه های مختلف و ولتاژ اعمال شده بررسی شده است.

FETToy شبیه سازی خصوصیات IV تحت شرایط گرایش خاصی که در آن پارامتر کنترل گیت و پارامتر کنترل درین باید کمتر از یا برابر با 1 باشد.مدل های شبیه سازی VD ولتاژ درین در 1 ولت.ضخامت لایه اکسید و قطر نانولوله های کربنی تعیین عملکرد CNTFETs. اکسید ضخیم تر  ولتاژکمتر خواهد شد از طریق عایق  همچنین قطر بزرگتر می‌شود  چگالی جریان بیشتر می‌تواند توسعه یابد.

عایق گیت از 1.5nm به 4.5nm متفاوت است، پارامترهای کنترل گیت و درین از 0 تا 1 متفاوت است و قطر CNT از 0.1nm به 10nm متفاوت است.و اگر پارامتر کنترل گیت و پارامترهای کنترل درین افزایش یابد،جریان درین را  به طور قابل توجهی افزایش می دهد.این افزایش جریان درین با 24.3uA. این جریان نیز به ضخامت لایه اکسید بستگی دارد. جریان کاهش می یابد توسط این عامل از 6.7uA در ناحیه اشباع که در آن ولتاژ درین 1 ولت می باشد. در قطر 0.1nm، نتایج جریان بسیار کم درین شکل2 را نشان می دهد. در قطر 1nm، جریان از درین در راه است به شدت در حال تغییر از 3uA به حدود 28uA. جریان درین در قطر 10 نانومتر می رسد حدود 78uA شکل3. قطر بزرگ اجازه می دهد تا جریان درین بالاتر رود. واقعیت این است که ناحیه تریود و ناحیه اشباع می شوند بسته به قطر، بر خلاف MOSFET با توجه پینچ آف کانال.

 رفتار هدایت انتقالی

به منظور دستیابی به هدایت انتقالی نسبتا بزرگ CNT باید  قطر بزرگ داشته باشد. هدایت انتقالی بزرگتر، بیشتر بهره آن ارائه خواهد شد. با این حال افزایش GM در VGS بزرگتر نقطه ضعف در کاهش سوئینگ سیگنال ولتاژ مجاز در درین می شود. مثلاً قطر کم شود تحرک حامل کاهش می‌یابد، هدایت انتقال تغییر می‌کند. رفتار هدایت انتقالی در قطر 1nm به دست آمده، با ولتاژ گیت و درین های مختلف. هدایت انتقالی با ضریب 10 / V بسته به میزان ولتاژ اعمال شده به گیت متفاوت است . با این حال، افزایش VG سبب خواهد شد سیگنال ولتاژ مجاز از طریق درین کاهش دهد.

در شکل چگالی حالت (DOS) از انواع مختلف نانولوله با توجه به شکاف انرژی را نشان می دهد. شبیه سازی با استفاده از “CNTbands 2.0” انجام شده و در سایت www.nanohub.org موجود است. نواحی پایان شبیه سازی شده در شکاف انرژی در نیمه هادی CNTها می باشد، یادآوری میکند که نواحی پایان یک قیاس 1-D با حالات سطح معمولی می‌باشد. در اتصالت CNT فلز نیمه هادی M-S هیچ ارتباط نواحی تجربی آشکار نمی‌شود، در حالی که برخی از نواحی الکترونیکی نیمه هادی CNT به فلز CNT در سراسر M-S CNT منتشر می‌شود. شکاف باند محاسبه شده در توافق خوبی با کسانی که در محاسبه در تقریب چگالی موضعی می باشد. شکاف باند  نانولوله ها کوچک هستند (0.2-2.0 الکترون ولت)، در CNT ها به صورت فلز یا نیمه هادی. ساختار نوار انرژی از اتم کربن C فراهم می کند سطح انرژی را اشغال کردند در شکاف باند بسته به DOS و انواع CNT.  نانولوله (13، 0) به عنوان مواد نیمه رسانا  از آن تا به شکاف انرژی بین هدایت و باند ظرفیت عمل می‌کند. نانولوله(10، 10)  و نانولوله(10، 5)  عمل می‌کنند به عنوان مواد رسانا  به عنوان والانس و هدایت باند ها با هم تداخل دارند. الکترون ها به راحتی می‌توانند تحریک بشوند از تراز نوار ظرفیت تا نوار هدایت همین است که نوار پر می‌شود. این الکترون تحریک شده منجر به این نوع از نانولوله به رسانا است که از نوع نیمه هادی N می‌باشد. گاف انرژی در این نوع از CNT کوچک است، بنابراین سطح والانس می تواند به راحتی الکترون به نوار هدایت فراهم نماید. بنابراین، شکاف انرژی، DOS و انواع CNT است هدایت  مواد را  تعیین می‌کنند. ابزار FETToy موجود در www.nanohub.org برای مشاهده ویژگی های کربن FET نانولوله، که با هندسه استوانه ای مفید است. با استفاده از ابزار شبیه سازی در مشخصات مختلف از CNTFET به دست آمده است.

پارامترهای ورودی مورد استفاده در شبیه سازی ها در جدول 2 ارائه شده است. شکل  (7)  ویژگی های خروجی از CNTFET را نشان می دهد. ویژگی های خروجی مانند رفتار MOSFET نشان می دهد . کانال اجازه می دهد تا جریان جاری بشود زمانی که ولتاژ گیت بیشتر از 0.26V است. در نتیجه، جریان روشن 9.660e-05 در VG = 1.20V و VD = 1.20V است، و جریان قطع  8.665e-11 A در VG = 0.00V و VD = 1.20V است. ابزار FETToy همچنین شش قسمت مختلف ساخته شده که برای درک رفتار این ترانزیستور مفید هستند. شکل 7 (ب) ارائه می دهد سرعت متوسط ​​در مقابل ولتاژ گیت در ناحیه اشباع. شکل 8 () نشان می دهد رفتار شارژ متحرک  به عنوان تابعی از ولتاژ گیت. در شکل 8 (ب) شارژ متحرک در مقابل ولتاژ درین است در ولتاژ گیت های مختلف نشان داده شده است. این است که متوجه شده است که افزایش ولتاژ درین فراتر از یک مقدار خاص دیگر بر شکل منحنی شارژ متحرک ثابت می ماند. این نیز مشاهده شده است که ولتاژ درین کم تولید شارژ متحرک بالاتر و ولتاژ درین بالا ایجاد شارژ متحرک پایین تر است. شکل 9 () نشان می دهد خازن کوانتومی در مقابل ولتاژ گیت در ولتاژ درین مختلف. لازم به ذکر است که خازن کوانتومی بالاتر را می توان در یک ولتاژ گیت بیشتر از 0.3V رسید. ولتاژ درین کمتر اثر خازن قابل توجهی را نشان می دهد. شکل 9 (ب) را نشان می دهد رفتار هدایت انتقالی به عنوان تابعی از ولتاژ گیت با ولتاژ درین متفاوت است.

نتایج اولیه از مدل های تحلیلی و داده های اندازه گیری در دمای اتاق ارائه شده در………………..

امید داریم تا اینجای مطلب مورد توجه شما قرار گرفته باشد. جهت دریافت ادامه مطلب ،روشها و فرمولهای مربوطه و… به صورت کامل  WORD + PDF  به لینک دریافت زیر مراجعه نمایید. این ترجمه براساس سیستم پایان نامه نویسی تنظیم شده است .

برای دریافت pdf + word بر روی کلیدزیر ،کلیک نمایید . 

قیمت: 12000 تومان