مدل سازی پدیده های مزوسکوپیک در ترانزیستورهای MOS مقیاس نانومتر

اختصاصی از کوشا فایل مدل سازی پدیده های مزوسکوپیک در ترانزیستورهای MOS مقیاس نانومتر دانلود با لینک مستقیم و پرسرعت .

چکیده:

نوسانات تناوبی در مشخصه IV افزاره های MOSFET زیر 100 نانومتر در دماهای پایین توسط برخی پژوهشگران در آزمایش های تجربی مشاهده شده است. برای توجیه نوسانات تناوبی، نظریه های مختلفی بیان شده است. همه ی این نظریه ها انتقال کوانتمی حامل ها در کانال را مطرح می سازند. از مقایسه نتایج تجربی با نظریه های موجود، به این نتیجه می توان رسید که برای توجیه علمی وجود این نوسانات، نظریه سد کولونی و ترانزیستور تک الکترونی مناسب می باشد. ما هم بر اساس نظریه سد کولونی و ترانزیستور تک الکترونی یک مدل اسپایس را شبیه سازی نم ودیم. نتایج بدست آمده از این شبیه سازی، تایید می کند که نظریه سد کولونی و ترانزیستور تک الکترونی توجیه بسیار مناسبی برای وجود نوسانات تناوبی در افزاره های نانومتری می باشد . بعلاوه هر چه خازن کل جزیره (که اساس کار ترانزیستور تک الکترونی است ) کوچکتر باشد، این ترانزیستور می تواند در دماهای بالاتری کار کند که این امر منطبق بر نظریه سد کولونی و ترانزیستور تک الکترونی می باشد. از طرفی، شبیه سازی های انجام شده نشان می دهد که هر چه خازن جزیره کوچکتر شود، جریان خروجی هم کمتر می شود که این خود ممکن است باعث مشکلاتی در کاربردهای ترانزیستور تک الکترونی شود.

فصل اول

1- مقدمه

قابلیت صنعت نیمه هادی برای فراهم کردن محصولاتی با کاهش مداوم قیمت و در عین حال افزایش کارآیی آنها، علت اصلی موفقیت آن بوده است. این موفقیت نتیجه کاهش ابعاد و به دنبال آن افزایش تعداد افزاره ها در یک تراشه می باشد.

در ابعاد زیر 100 نانومتر پدیده های جدیدی که در ساختارهای بزرگتر وجود نداشتند، رفتار MOSFET ها را تحت تاثیر قرار می دهند. SIA پیش بینی می کند که حداقل ابعاد افزاره ها در سال 2012 در حدود 35nm و 108 ترانزیستور بر سانتیمتر مربع برای فناوری CMOS شود.

کاملاً مشخص است که رفتار این افزاره ها که مدارات آینده با آنها ساخته می شود، با رفتار افزاره های امروزی با ابعاد بزرگتر متفاوت است. در این بین مدل سازی و بررسی خصوصیات این افزاره ها می تواند به بسیاری از بحث ها ی موجود در ارتباط با کوچک سازی بیشتر افزاره ها، پاسخ دهد. یعنی اینکه اگر نتوانیم افزاره ها را مدل سازی کنیم، مسئله کوچک سازی به عنوان سدی پیش روی توسعه ی صنعت نیمه هادی باقی خواهد ماند. هدف اصلی این پایان نامه بررسی و مدل سازی پدیده های محتمل در مورد MOSFET های زیر 100 نانومتر می باشد.

مهمترین هدف مدل سازی بدست آوردن روش های ممکن برای بررسی های عددی مورد نیاز درباره خصوصیات و رفتار افزاره ها می باشد.

در فصل دو ابتدا مختصری در مورد نظریه کلی MOS توضیح داده خواهد شد. سپس در فصل سوم مسئله توضیح داده خواهد شد. سپس در فصل سوم مسئله ID(VG که از نتایج تجربی ساخت افزاره ها ی زیر 100 نانومتر توسط برخی از پژوهشگران بدست آمده است نشان داده خواهد شد. چیزی که مهم است اینست که در آزمایش های تجربی پدیده هایی دیده شد که در MOS های با مقیاس بالاتر دیده نشده بود. یعنی اینکه این پدیده ها را نمی توان با نظریه کلاسیک موجود در مورد MOS یعنی نظریه “نفوذ – رانش” توجیه کرد. به همین علت مجبور هستیم که نظریه های جدیدی را بررسی کنیم تا شاید بتوان نتایج تجربی را به آنها نسبت داد. فصل چهارم به این موضوع می پردازد. وجود این نوسانات به عنوان یک پدیده جدید، بسیار جالب توجه بود که انگیزه ی اصلی کار روی این پایان نامه می باشد.

قوی ترین نظریه در مورد نوسانات تناوبی مشاهده شده در مشخصه ID (VG افزاره ها ی زیر 100 نانومتر، نظریه سد کولونی و ترانزیستور تک الکترونی می باشد. سد کولونی برای اولین بار در دهه 1950 و 1960 مشاهده شد. در سال 1975 کولیک و شختر در مورد اثرات شارژ کنندگی سد کولونی توضیحاتی ارائه کردند و پلکان کولونی را در حالت تونل زنی یک الکترون از طریق یک جزیره کروی بین دو اتصال تونلی نامتقارن پیش بینی کردند. شکل نهایی نظریه ترانزیستور تک الکترونی (SEM) در سال 1985 توسط آورین و لیخاریو در مسکو ارائه شد. اولین شکل واقعیٍ این نظریه ها توسط فولتن و دولان در آزمایشگاه های بل در سال 1987 ساخته شد.

در فصل پنجم به طور مفصل با این نظریه آشنا خواهید شد و کاربرد های آنرا بیان می کنیم. در فصل شش یک ترانزیستور تک الکترونی (SET) را شبیه سازی می کنیم. در فصل هفتم آینده نانوالکترونیک را بررسی می کنیم.

موضوع اصلی این پایان نامه پدیده های مزو سکوپیک می باشد که مشخصات و خصوصیات سیستم هایی را معرفی می کند که ابعاد آنها بین مقیاس میکروسکوپی و ماکروسکوپی است. مزو یک کلمه یونانی به معنای وسط می باشد. در این سیستم ها انتقال الکترون یا بار گسسته الکترونها اهمیت دارد.

تعداد صفحه : 92

فهرست مطالب:

چکیده ................................................................................................................................................... 1
فصل اول : مقدمه
مقدمه ......................................................................................................................................... 3
MOSFETs : فصل دوم
2-1 اصول عملکرد ...................................................................................................................... 6
2-1-1 وارونگی .................................................................................................................... 9
2-1-2 مشخصه ولتاژ- جریان ............................................................................................... 11
به دما ............................................................. 15 MOSFET 2-2 وابستگی مشخصه الکتریکی
فصل سوم : نتایج تجربی .
17................................................................................................................ ID(VG) 3-1 مشخصه
3-2 اثر ولتاژ سورس .................................................................................................................. 22
3-3 اثر میدان مغناطیسی .............................................................................................................. 28
فصل چهارم : نظریه نوسانات تناوبی
4-1 رسانایی جهش ها و تونل زنی تشدید ................................................................................. 30
4-2 اختلال ضعیف بین سورس و درین ..................................................................................... 36
4-3 مدل انتقالی کوانتمی ......................................................................................................... 37
4-4 سد کولونی در تک نقطه .................................................................................................. 40
4-5 سد کولونی در نقاط موازی .............................................................. ................................ 49
51............................................................................. (SET) فصل پنجم : ترانزیستور تک الکترونی
5-1 الکترونیک تک ذره ای .................................................................................................... 52
5-2 ترانزیستور تک الکترونی ................................................................................................... 56
5-3 پلکان کولونی ................................................................................................................... 60
5-4 مزایا و مشکلات ترانزیستورهای تک الکترونی ................................................................... 62
فصل ششم : شبیه سازی یک ترانزیستور تک الکترونی
6-1 مقدمه ....................................................................................................................... 65
6-2 مدل ............................................................................................................................ 65
6-3 تحلیل مدل .................................................................................................................. 66
6-4 نتایج شبیه سازی .......................................................................................................... 67
فصل هفتم : نتیجه گیری و پیشنهادات ........................................................................................... 76
فصل هشتم : آینده و نانوالکترونیک ............................................................................................... 79
منابع و مراجع ................................................................................................................................... 82
ضمیمه
86..................................................................................................................... Spice Sourse
چکیده انگلیسی

دانلود پایان نامه ترانزیستورهای اثر میدانی تونلی (TFET ) و بهینه سازی مشخصات آن

اختصاصی از کوشا فایل دانلود پایان نامه ترانزیستورهای اثر میدانی تونلی (TFET ) و بهینه سازی مشخصات آن دانلود با لینک مستقیم و پرسرعت .

در این پایان نامه اصول فیزیکی حاکم بر افزاره TFET و همچنین مشخصه های الکتریکی افزاره مورد بررسی قرار گرفته است. در فصل سوم آثار کانال کوتاه افزاره TFET با افزاره MOSFET مقایسه شده است. یکی از چالش های اصلی در TFET، بهینه سازی لحظه ای نسبت Ion/Ioff است. در فصل چهارم کارهایی که تاکنون برای افزایش نسبت Ion/Ioff انجام شده است مورد بررسی قرار می گیرد. در فصل پنجم، چهار ساختار بدیع برای کاهش جریان نشستی افزاره و افزایش نسبت Ion/Ioff ارائه شده است. ساختارهای پیشنهادی با شبیه ساز افزاره DESSIS شبیه سازی شده اند. ساختار اول، TFET تک گیتی با اکسید گیت نامتقارن است که در مقایسه با TFET تک گیتی با اکسید گیت متقارن سرعت کلیدزنی بالایی دارد. ساختار دوم TFET دو گیتی با اکسید گیت نامتقارن است که در مقایسه با TFET تک گیتی با اکسید گیت نامتقارن، جریان حالت روشن دو برابر دارد. ساختار سوم TFET تک گیتی با اکسید Low-k و ساختار چهارم TFET دو گیتی با اکسید low-k است که دارای مشخصات زیر آستانه قابل توجهی نسبت به TFET تک گیتی است.

مقدمه:

با پیشرفت فناوری، ابعاد افزاره MOSFET کاهش یافته و به رژیم نانومتر مقیاس شده است. هدف از مقیاس بندی بیش از حد افزاره ها، دستیابی به مداراتی است که توان مصرفی اندک، سرعت زیاد و چگالی افزاره بالایی دارند. لیکن با کاهش طول گیت آثار کانال کوتاه (SCEs) پدیدار شده و مقیاس بندی افزاره را محدود می کند. آثار کانال کوتاه شامل افزایش جریان نشتی، کاهش سد پتانسیل القاء شده توسط درین (DIBL)، سوراخ شدگی، اشباع سرعت و… است که منشأ تمام آنها افزایش عرض ناحیه تخلیه در طرف درین است. در افزاره های MOSFET، آثار کانال کوتاه برای طول گیت های کمتر از 100nm ظاهر شده و باعث می شود منحنی مشخصه خروجی افزاره (ID-VDS) حتی در ناحیه اشباع به مقدار ثابتی نرسد.

آثار کانال کوتاه موجب کاهش کارآیی افزاره می گردد، لذا نیاز به افزاره های جدید برای مقابله با SCEs روز به روز بیشتر احساس می شود. یکی از افزاره هایی که اخیرا مطرح شده TFET می باشد. این افزاره برای اولین بار توسط “توشیو بابا” در سال 1992 پیشنهاد شد. با پیشرفت فناوری و نیاز به افزاره های با جریان نشتی کم برای کاربردهای توان پایین، TFET مورد توجه قرار گرفته است. تاکنون کارهای متعددی برای بهینه سازی مشخصات TFET صورت گرفته است. این افزاره نسبت به MOSFET، جریان نشت استاتیک کمتری دارد و در مقابل SCEs مقاوم تر است.

فصل اول: کلیات

مقدمه:

ترانزیستور اثر میدان تونلی (TFET) یک دیود p-i-n بایاس معکوس است که پتانسیل ناحیه ذاتی آن توسط گیت کنترل می شود. در این فصل مؤلفه های جریان بایاس معکوس یک پیوند p-n شرح داده می شود. در ادامه با تاریخچه افزاره TFET و چالش اصلی در آن آشنا می شویم و به بررسی کارهای انجام شده برای بهبود مشخصه Ion/Ioff خواهیم پرداخت.

1-1- پیوند p-n تحت شرایط بایاس معکوس

شکل (1-1) یک پیوند p-n را تحت شرایط بایاس معکوس نشان می دهد. با افزایش بایاس معکوس، ممکن است که جریان دیود به طور فزاینده ای افزایش یابد. این پدیده که شکست نامیده می شود ممکن است به لحاظ یکی از سه منشأ زیر به وجود آید. اولین علتی که بررسی خواهیم کرد، سوراخ شدن خوانده می شود.

1-1-1- سوراخ شدن

با افزایش بایاس معکوس، عرض ناحیه تخلیه که بر روی آن پتانسیل افت می کند، افزایش می یابد. وضعیت را در نظر بگیرید که در آن ناحیه ای که آلایش زیادی از نوع p دارد، در مجاورت ناحیه ای که دارای آلایش اندک نوع n است قرار داشته باشد. در این صورت ناحیه تخلیه طرف n بسیار بزرگتر از ناحیه تخلیه طرف p است. در ولتاژ زیاد معینی، ناحیه تخلیه طرف n به اتصال اهمی طرف n خواهد رسید. اگر ولتاژ باز هم افزایش یابد، اتصال رسوخ میدان الکتریکی را احساس خواهد کرد و الکترون در اختیار دیود p-n قرار خواهد داد. در نتیجه دیود اتصال کوتاه می شود و جریان صرفا توسط مقاومت های مدار خارجی محدود می گردد.

2-1-1- یونیزه شدن برخوردی یا شکستن بهمنی

افزایش بایاس معکوس موجب افزایش انرژی حامل ها می شود، در این شرایط الکترونی که خیلی داغ می باشد، از الکترونی که در نوار ظرفیت قرار دارد، از طریق برهم کنش کولمبی پراکنده می شود و آن را به نوار هدایت پرتاب می کند. الکترون اولیه باید انرژی کافی را برای بالا بردن الکترون از نوار ظرفیت به نوار هدایت فراهم آورد. بنابراین انرژی الکترون اولیه باید کمی بزرگتر از شکاف انرژی (که نسبت به کمینه نوار هدایت اندازه گیری می شود) باشد. حال در تراز نهایی، دو الکترون در نوار هدایت و یک حفره در نوار ظرفیت داریم. بنابراین تعداد بارهایی که جریان را حمل می نمایند، تکثیر یافته است. این پدیده اغلب پدیده بهمنی نامیده می شود. توجه داشته باشید که این مسأله برای حفره های داغ نیز ممکن است اتفاق بیفتد و حفره ها نیز می توانند آغازگر پدیده بهمنی باشند.

شامل 124 صفحه فایل pdf