دانشگاه آزاد اسلامي
واحد علوم و تحقيقات هرمزگان
پايان نامه کارشناسي ارشد مهندسي برق M.SC
گرايش:الکترونيک
موضوع:
طراحي و تحليل پارامتري تقويت کننده عملياتي در تکنولوژي هاي CMOS و CNFET
استاد راهنما:
دکتر سيد علي حسيني
استاد مشاور:
دکتر محمود آل شمس
نگارنده:
حجت اله مرادي کوچي
سال تحصيلي: 93-92
تقدير و تشکر

بدينوسيله از استاد راهنماي گرامي و ارجمند جناب آقاي دکتر سيد علي حسيني به خاطر راهنمايي ها و پشتيباني شان تشکر و قدرداني مي نمايم.
تقديم به روح
پدر و مادرم
فهرست مطالب
چکيده1
فصل اول:کليات تحقيق
1- بيان مسئله و ضرورت انجام تحقيق3
1-1 تکنولوژي هاي مورد استفاده5
1-1-1 نانولوله هاي کربني5
1-1-2 نانو سيم هاي سيليکوني6
فصل دوم: مروري بر تحقيقات انجام شده
2-1 ساختار ترانزيستور مبتني بر نانولوله کربني11
2-2 کاربرد نانولوله کربني در نانو الکتريک13
2-3 روشهاي توليد و رشد نانولوله کربني14
2-4 ترانزيستورهاي اثر ميداني مبتني بر نانولوله هاي کربني16
2-4-1روال ساخت ترانزيستورهاي مبتني بر نانولوله هاي کربني18
2-5 مزاياي استفاده از ترانزيستورهاي مبتني بر نانو لوله هاي کربني19
2-6 چالش هاي استفاده از ترانزيستورهاي مبتني بر نانولوله هاي کربني20
2-6-1 تغيير پذيري در قطر نانولوله هاي کربني21
2-6-2 تراکم بسته بندي نانولوله ها23
2-6-3 فاصله بين نانولوله هاي کربني مجاور و تغيير پذيري آن24
2-6-4 نامرتبي در نانو لوله ها24
2-6-5 وجود اتصالات SB بين سورس و درين و نانولوله ها24
2-6-6 رشد ناخواسته فلز در نانو لوله ها25
فصل سوم: روش تحقيق
1- مقدمه27
3-1op-amp دو طبقه28
3-1-1 بهره حلقه باز فرکانس پايين AOLDC30
3-2-1 نرخ مد مشترک ورودي31
3-1-3 توان مصرفي32
3-1-4 سويينگ خروجي32
3-1-5 آفست32
3-2 جبران سازي op-amp33
3-1-2حذف صفر43
3-2-2 جبران سازي براي عملکردهاي با سرعت بالا45
3-3سرعت تغييرات خروجي (Slew Rate)51
3-4 CMRR 53
3-5 PSRR55
3-6 خلاصه مقادير cmos op-amp57
فصل چهارم: نتايج
4-1 ساختار مبتني بر ترانزيستورهاي نانولوله کربني60
4-2 cnfet op-amp دو طبقه62
4-3 بهره حلقه باز cnfet op-amp64
4-4 پاسخ فرکانسي cnfet op-amp65
4-5 پاسخ پله cnfet op-amp66
4-6 شبيه سازي CMRR در cnfet op-amp67
4-7 خلاصه پارامترهاي cnfet op-amp68
فصل پنجم:بحث و نتيجه گيري
5-1 مقايسه پارامترهاي cmos&cnfet op-amp………………………………………………………………………………………………..70
5-2 نتيجه گيري…………………………………………………………………………………………………………………………………………………70
5-3 کارهاي آينده …………………………………………………………………………………………………………………………………………….71
منابع72
چکيده انگليسي78
فهرست جدول ها
عنوانصفحه
جدول 3-1 پارامترهاي نوعي براي طراحي آنالوگ با استفاده از فرايند SHORT CHANNEL CMOS30
جدول 3-2 خلاصه پارامترهاي CMOS OP-AMP58
جدول 4-1 پارامترهاي نوعي براي طراحي آنالوگ با استفاده از فرايند CNFET &STANFORD MODEL63
جدول 4-2 خلاصه پارامترهاي CNFET OP-AMP68
جدول 4-3 مقايسه پارامترهاي CMOS &CNFET OP-AMP68
فهرست شکل ها
شکل1-1. نانو لوله کربني تک ديواري5
شکل 1-2-الف. ترانزيستور اثر ميداني مبتني بر نانوتيوب با استفاده از ساختار BACK GATE6
شکل 1-2-ب. ترانزيستور اثر ميداني مبتني بر نانوتيوب با استفاده از ساختار GATE TOP6
شکل1-3. ترانزيستور اثر ميداني مبتني بر نانوسيم سيليکوني9
شکل 2-1. نمايش مصور از نانولوله تک جداره با آرايه متقارن12
شکل 2-2. يک نانو لوله ي کربني که توسط غلطاندن يک ورقه ي گرافيت بدست آمده13
شکل 2-3. ساخت نانولوله کربن به روش CVD15
شکل 2-4-الف. ساختار ترانزيستور مبتني بر نانولولههاي کربني نوع SB16
شکل2-4-ب. ساختار ترانزيستور مبتني بر نانولوله هاي کربني نوع MOSFET16
شکل 2-5-الف. ناحيه هدايت ترانزيستور مبتني بر نانولوله هاي کربني نوع SB17
شکل 2- 5-ب. ناحيه هدايت ترانزيستور مبتني بر نانولوله هاي کربني نوع MOSFET17
شکل 2-6-الف. رشد حرارتي SIO2 بر روي ويفر سيليکون19
شکل 2-6-ب. کشيدن الگوي براي تنظيم نشانه ها19
شکل 2-6-ج. باز کردن پنجره هاي ضد نور19
شکل 2-6-د. رسوب کاتاليزور19
شکل 2-6-ه. خوردگي ماده ضد نور19
شکل 2-6-و. رشد نانو لوله ها به روش CVD19
شکل 2-6-ز. ساخت الکترودهاي فلزي19
شکل 2-6-ح. ساخت پشته بالاي گيت که شامل و فلز گيت ميشود19
شکل 2-6-ط. ناخالص سازي CNT19
شکل 3-1. بلوک دياگرام OP-AMP دو طبقه با بافر خروجي27
شکل 3-2. OP-AMP دو طبقه بيس29
شکل 3-3-الف. منحني انتقال DC براي OP-AMP شکل 2-331
شکل 3-3-ب. بهره (مشتق الف)31
شکل 3-4-الف. نمايش چگونگي ايجاد ولتاژ آفست برگشتي به ورودي33
شکل 3-4-ب. مدل کردن آفست33
شکل 3-5. بلوک دياگرام سطح OP-AMP33
شکل 3-6. مثالي از فيدبک در OP-AMP36
شکل 3-7. پيکر بندي ولتاژ فالوئر ،مثالي از تقويت کننده حلقه بسته با ضريب فيدبکي يک36
شکل 3-8. مدل مورد استفاده براي تخمين پهناي باند در يک تقويت کننده CMOS36
شکل 3-9. محاسبه پاسخ فرکانسي OP-AMP38
شکل 3-10. پيکر بندي مدار مورد استفاده براي شبيه سازي پاسخ فرکانسي حلقه باز39
شکل 3-11. پاسخ فرکانسي حلقه باز OP-AMP شکل 3-940
شکل 3-12. افزايش مقدار خازن جبران ساز به 2.4PF41
شکل 3-13. پاسخ پله ضعيف OP-AMP با وجود صفر42
شکل 3-14. اضافه کردن مقاومت حذف صفر در OP-AMP شکل 3-942
شکل 3-15. پاسخ پله مناسب OP-AMP در غياب صفر43
شکل 3-16. مستقل کردن فرايند مقاومت حذف صفر44
شکل 3-17. استفاده از يک تقويت کننده براي کم اثر کردن سيگنال فوروارد44
شکل 3-18. فيدبک کردن يک جريان به طور غير مستقيم جهت جلوگيري از صفر RHP45
شکل 3-19. مدل مورد استفاده براي تخمين پهناي باند با جريان فيدبک غير مستقيم46
شکل 3-20. شبيه سازي اپ امپ شکل 3-9 با استفاده از جبران سازي غير مستقيم در شکل 3-1848
شکل 3-21. پاسخ پله اپ امپ شکل 3-18 با پاسخ فرکانسي شکل 3-2049
شکل 3-22. پياده سازي جبران سازي فيدبک غير مستتقيم بدون توان مصرفي اضافه در اپ امپ دو طبقه50
شکل 3-23-الف. پاسخ پله اپ امپ شکل 3-22 با بار خازني 100FF50
شکل 3-23-ب. پاسخ فرکانسي اپ امپ شکل 3-22 با بار خازني 100FF51
شکل 3-24. عملکرد سيگنال بزرگ اپ امپ شکل 3-952
شکل 3-25. عملکرد سيگنال بزرگ اپ امپ شکل 3-2254
شکل 3-26. مدار مورد استفاده براي شبيه سازي CMRR54
شکل 3-27. OP-AMP توپولوژي معکوس55
شکل 3-28-الف. مدار تست براي تعيين PSRR56
شکل 3-28-ب. بهره حلقه باز56
شکل 3-28-ج. بهره از سيگنال AC در VDD به خروجي56
شکل 3-28-د. بهره از سيگنال AC در زمين به خروجي56
شکل 4-1. ساختار سه بعدي ترانزيستور مبتني بر نانولوله کربني با4 نانولوله کربني به عنوان کانال60
شکل 4-2-الف. منحني انتقال DC براي CNFET OP-AMP64
شکل 4-2-ب. بهره (مشتق) AOLDC64
شکل 4-3. پاسخ فرکانسي CNFET OP-AMP65
شکل 4-4. پاسخ پله بسيار خوب CNFET OP-AMP66
شکل 4-5. نمايش CMRR در CNFET OP-AMP67
شکل 4-6. عملکرد سيگنال بزرگ CNFET OP-AMP67
اظهار نامه
اينجانب حجت اله مرادي کوچي دانشجوي کارشناسي ارشد رشته برق گرايش الکترونيک به شماره دانشجويي 900831321 تاييد مي نمايم که کليه نتايج اين پايان نامه حاصل کار اينجانب و بدون هيچگونه دخل و تصرف است و مورد نسخه برداري شده از آثار ديگران را با ذکر کامل مشخصات منبع ذکر نموده ام . در صورت اثبات خلاف مندرجات فوق به تشخيص دانشگاه مطابق با ضوابط و مقررات حاکم ( قانون حمايت از مولفان و محققان و قانون ترجمه و تکثير کتب و نشريات و آثار صوتي ، ضوابط و مقررات آموزشي، پژوهشي و انضباطي ) با اينجانب رفتار خواهد شد و حق هرگونه اعتراض در خصوص احقاق حقوق مکتسب و تشخيص و تعيين تخلف و مجازات را از خويش سلب ميکنم . در ضمن مسئوليت هرگونه پاسخگويي به اشخاص اعم از حقيقي و حقوقي و مراجع ذي صلاح ( اعم از اداري و قضايي ) به عهده اينجانب خواهد بود و دانشگاه هيچگونه مسئوليتي در اين خصوص نخواهد داشت .
نام و نام خانوادگي:حجت اله مرادي کوچي
امضا و تاريخ : / /
تاييديه
بدينوسيله تاييد مينمايم پايان نامه / رساله ي طراحي و تحليل پارامتري تقويت کننده عملياتي در تکنولوژي هاي CMOS و CNFET دفاع شده توسط آقاي حجت اله مرادي کوچي دانشجوي کارشناسي ارشد رشته برق گرايش الکترونيک تحت راهنمايي اينجانب صورت گرفته و مطالب ارائه شده در اين پايان نامه حاصل کار وي بوده و بدون هرگونه دخل و تصرف است و موارد نسخه برداري شده از آثار ديگران با ذکر کامل مشخصات منبع ذکر شده است .
نام و نام خانوادگي استاد راهنما : سيد علي حسيني
امضاء و تاريخ :
تائيديه هيات داوران جلسه دفاع
گروه تخصصي :برق
نام و نام خانوادگي دانشجو : حجت اله مرادي کوچي
عنوان پايان نامه:طراحي و تحليل پارامتري تقويت کننده عملياتي در تکنولوژي هاي CMOS و CNFET
تاريخ دفاع:
رشته :برق
گرايش :الکترونيک
امضاءدانشگاه يا موسسه محل خدمتمرتبه دانشگاهيسمتنام و نام خانوادگيرديفدانشگاه آزاد شهر رياستادياراستاد راهنمادکتر سيد علي حسيني 1234
معاون پژوهشي
دانشگاه آزاد اسلامي
واحد علوم و تحقيقات هرمزگان
چکيده
رشد سريع فناوري ساخت مدارهاي الکترونيکي و ورود به مرز فناوري نانو، همراه با مزاياي دور از انتظاري که براي اين فناوري به دنبال داشته، چالش هاي فراواني را نيز فرا روي متخصصين الکترونيک قرار داده است. برخي از اين چالش ها مربوط به فرآيند و فناوري ساخت مدارهاي الکترونيکي و بخشي نيز مربوط به کوچک شدن ابعاد ترانزيستورها است که پايه و اساس آنها مي باشد. افزايش اين مسائل پژوهشگران را به فکر جايگزيني مواد جديدي به منظور استفاده در مدارهاي الکترونيکي انداخت، که به جاي استفاده از ترانزيستورها و ابزارهاي سيليکوني که با چنين محدوديت هايي روبرو است، از مواد ديگري استفاده کنند. يکي از محتملترين جايگزينهاي CMOS ، ترانزيستورهاي مبتني بر نانو لوله هاي کربني (CNFET) است، که شامل نانو لوله هاي تک جداره نيمه هادي همجوار است که به دليل خاصيت الکتروني عالي، قابليت جايگزين شدن بر مدارات CMOS سيليکوني را دارد. از اين ترانزيستور در ساختار يک OPAMP استفاده شده است. در اين پايان نامه ابتدا ترانزيستورهاي مبتني بر نانولوله هاي کربني (CNFET) ،تاريخچه ،مزايا و محدوديت هاي آن ها را به طور اجمال مورد بررسي قرار مي دهيم. در ادامه به مطالعه ،طراحي و تحليل CMOS-OPAMP مي پردازيم و با استفاده از HSPICE در تکنولوژي 50nm مشخصه هاي تقويت کننده را شبيه سازي مي کنيم.سپس ترانزيستورهاي مبتني بر سيليکون(SI-FET) را با ترانزيستورهاي مبتني بر نانولوله کربني(CNFET) جايگزين مي کنيم تا CNFET-OPAMP ايجاد گردد و با استفاده از مدل فشرده استانفورد براي ناحيه کانال دروني نانولوله هاي تک ديواره اي(SWNTs) در ترانزيستورهاي اثر ميداني مبتني بر نانولوله کربني (CNFET) ،مشخصه هاي CNFET-OPAMP را شبيه سازي مي کنيم و در پايان مقايسه اي بين مشخصه هاي CMOS-OPAMP و CNFET-OPAMP ارائه مي دهيم که35% افزايش در بهره حلقه باز،266% افزايش GBP،افزايش PM ،افزايش CMRR به ميزان 114% ،افزايش سرعت تغيير خروجي به ميزان 62% و کاهش 476% در توان مصرفي را نشان مي دهد.
کلمات کليدي: ترانزيستور مبتني بر نانولوله کربني(CNFET)، تقويت کننده عملياتيcmos(CMOS-OPAMP) و تقويت کننده عملياتي مبتني بر نانولوله کربني (CNFET-OPAMP)،GBP ،CMRR،سرعت تغيير خروجي(Slew Rate)،زمان نشست(Settling Time)
فصل اول
کليات تحقيق
1.بيان مسئله و ضرورت انجام تحقيق
در سال 1965گوردون مور پيشبيني كرد كه تعداد ترانزيستورهاي روي يك تراشه در هر دو سال، دوبرابر خواهد شد [1].
در سالهاي نه چندان دور اخير ،دانشمندان و محققان به اين حقيقت رسيده اند که نانولوله هاي کربني يکي از مهمترين نشانه هاي انقلاب تکنولوژي نانو هستند.در ابعاد پايين،ساختارهاي نانو از قبيل نقاط کوانتومي ،نانوسيم ها و نانولوله هاي کربني وييگيهاي منحصر به فردي دارند که آنها را کانديداي نوظهوري براي کاربردهاي تکنولوژيکي پيشرفنه در آينده تبديل نموده است.نانولوله هاي کربني ويژگي منحصر به فردي به عموان يکي از اندک سيستم هايي که اندازه آزمايشگاهي افزاره ممکن است به مدل هاي با ابعاد اتمي برسد و با پيشبيني ها تطبيق پيدا کند مي باشند ،بنابراين تاييد نتايج روشهاي محاسباتي و طراحي تئوري با نتايج آزمايشگاهي محقق مي گردد.اين افزاره هاي در مقياس نانو اغلب ويژگيهاي نامحدودي دارند ولي طراحي افزاره ها و مدارات نانوبعدي ،بدون محدوديت نيست.مقياس کردن در توپولوژي مبتني بر سيليکون داراي محدوديت هاي جدي وابسته به تکنولوژي ساخت و عملکرد افزاره است.
پيشبيني ها توسط1 ITRS نشان ميدهد كه مقياس كردن CMOS در حدود سال 2018 با رسيدن به عرض كانال 20 نانومتر به پايان خواهد رسيد [2].
حتي رسيدن به اندازه22 نانومتر هم به مشكلات حل نشده زيادي برخورد ميكند كه مهمترين آنها توان مصرفي )به ويژه جريانهاي نشتي 2 (، تغييرات فرآيند ساخت3 ، مشكلات قابليت اطمينان4 و افزايش هزينه ساخت است. مقياس كردن ترانزيستورها، كم شدن توانايي براي تحمل تغييرات پروسه ساخت را به همراه دارد. با كوچكتر شدن ترانزيستورها اتمهاي كمتري قطعات مختلف را ميسازند. كمبود قابليت پيشبيني، فرآيند طراحي را پيچيده كرده و با ادامه كاهش ابعاد تکنولوژي، اين پيچيدگي بيشتر هم ميشود .[3] بزرگترين مشكل براي كاهش ابعاد ترانزيستورها، مسائل مربوط به اقتصاد است. هزينه ساخت به صورت نمايي در حال افزايش بوده و همزمان با افزايش نمايي تعداد ترانزيستورها در حال افزايش است. اين افزايش در واقع به دليل استفاده از روش ساخت بالا به پايين در طراحي مدارهاي مجتمع است. اين بدان معناست كه لايه ها روي يك ويفر سيليكوني اضافه ميشوند كه نيازمند هزاران مرحله، قبل از ساخت كامل مدار است. با وجود آنكه اين فرآيند امكان ساخت مدارها و سيستمهاي قابل اطمينان را به ما ميدهد، كاهش ابعاد، توليد ماسكهاي قابل اطمينان را بسيار گران ميكند[4].
ديگر محدوديت هاي به وجود آمده از مقياس کردن را مي توان در تونل زني الکترون ها از طريق کانال کوتاه و فيلم هاي نازک عايق،جريان هاي نشتي منتشر شده،اتلاف توان پسيو،عدم تطبيق در ساختار افزاره،محدوديت هاي قابليت حرکت و نوسانات ناخواسته ناخالصي ،خلاصه کرد.
براي پوشش دادن اين محدوديت ها و حفظ يکپارچگي و پيشرفت تکنولوژي ساخت با کاهش ابعاد محتمل در آينده،روشهاي نوين مي بايست توسعه يابند تا تکنولوژي را به ابعاد جديد براي عبور از چالش هايي از قبيل هزينه و … هدايت کنند.افزاره هاي مبتني بر نانولوله هاي کربني پتانسيل لازم براي عمل کردن در افزاره هاي با ابعاد نانو و با سرعت بالا در آينده نزديک به علت شباهت با ساختار cmos ،عملکرد افزاره و قابليت کاهش توان مصرفي با ادامه کاهش ابعاد را خواهند داشت.
با بررسي مشكلات موجود در صنعت نيمه هادي ،به محدوديتهاي اندازه فيزيكي و هزينه هاي سرسام آور برخورديم كه براي حل آنها نياز به تغيير اساسي در نحوه ساخت مدارهاي مجتمع وجود دارد. بسياري از محققان عقيده دارند كه اين تغيير به سمت قطعات نانوالكترونيك خواهد بود. قطعات نانوالكترونيك ممكن است راه حلي براي افزايش هزينه هاي ساخت ارايه كرده و اجازه دهند كه مدارات مجتمع زير ابعاد ترانزيستورهاي مدرن مقياس شود. مؤثرترين تغيير در حرکت به سمت فناوري نانوالكترونيك نحوه ساخت است. در اين تکنولوژي سيمها، ديودها، ترانزيستورها و سوييچها ميتوانند به صورت مجزا، زياد و ارزان ساخته شوند.[2]
1-1 تكنولوژي هاي مورد استفاده
عناصر اصلي مدارهاي نانوالكترونيك، قطعات استفاده شده براي ساخت آن است .حركت به سمت نانوتيوبهاي كربني يا نانوسيمهاي سيليكوني به اين دليل است كه آنها به صورت فيزيکي خيلي كوچكتر از سيمهاي مسي كه توسط نقش نگاري نور ساخته ميشوند ميباشند. تعداد کمي از تكنولوژيها وجود دارند كه ميتوانند جايگزين ترانزيستور به عنوان قطعه منطقي پايه شوند. اينها شامل مقاومت ديفرانسيلي منفي ، ترانزيستورهاي ساخته شده از نانوسيمها يا نانوتيوب ها، مدارات1QCA و سوييچهاي با قابليت پيكربندي مجدد ميباشد. اين قطعات اندازهاي در حد چند نانومتر دارند.
1-1-1-نانولوله هاي كربني
نانولوله هاي كربني مولكولهاي كربني استوانه اي هستند كه ويژگيهاي منحصر به فردي دارند و براي كاربردهايي مانند نانوالكترونيك، الكترونيك نوري و موارد ديگر مفيد هستند (شکل 1-1). آنها مي توانند بسته به ساختارشان به صورت سيمهاي فلزي يا قطعات نيمه هادي عمل كنند.
شکل 1-1: نانو لوله کربني تک ديواري]5[
نانولوله هاي كربني در سال 1991 و به عنوان محصول جانبي آزمايش قوس الكتريكي2كه براي توليد C60 انجام شد كشف شدند . ويژگيهاي نانوتيوبها به CCVD3 هم كشف شده است. نانوتيوبهاي كربني ميتوانند با هر كدام از اين روشها توليد شوند . ويژگيهاي نانوتيوبها به ساختارشان وابسته بوده و بسته به كايراليتي 4به عنوان فلز يا نيمه هادي عمل ميكنند.
1 quantum cellular automata
2arc discharge
3 Catalyst-enhanced chemical vapor deposition
4 chirality
ويژگي دوم نانوتيوبها كه ويژگيهاي الكتريكي آنها را تحت تاثير قرار ميدهد، تعداد ديواره ها است. تفاوت اصلي بين تك ديواره و چندديواره در اندازه قطر نانوتيوبها است .[5]
در حال حاضر بهترين کاربرد نانوتيوبهاي كربني به عنوان يك ترانزيستور است. همانطور كه در شکل زير ميتوان ديد، نانوتيوبهاي كربني خيلي مشابه MOSFET ها هستند كه در آن كانال سيليكوني با يك نانوتيوب كربني جايگزين شدهاست. بسياري از ترانزيستورهاي مبتني بر نانوتيوب از نانوتيوبهاي كربني تك ديواري ساخته شدهاند، چون انرژي شكاف باند آنها در حد نيمه هادي است. شکل زير يك ترانزيستور مبتني بر نانوتيوب مبتني بر ساختارهاي Top Gate و Back Gate را نشان ميدهد .[5]
شکل 1-2: ترانزيستور اثر ميداني مبتني بر نانوتيوب )الف( با استفاده از ساختار back gate )ب) top gate .[5]
روابط جريان اين ترانزيستور از [6] حاصل ميشود.
اين ساختار ترانزيستورها پتانسيل جايگزين شدن به عنوان تکنولوژي آينده در مقياس نانو به دليل خاصيت عالي الکتروني نانولوله هاي کربني را دارند. براي مثال، انتقال پرتابي نزديک، تحرک پذيري حامل ها در نيمه هادي نانولولههاي کربني و ادغام راحت ماده عايق K بالا [7] باعث بهبود حالت الکتروستاتيکي گيت مي شود.
ترانزيستورهاي بر پايه نانولوله هاي کربني از يک نانولوله کربني تک ديواره (SWCNT)به عنوان ماده کانال استفاده ميکنند. الکترود کنترلي گيت در ناحيه هدايت کانال واقع شده و با استفاده از لايه ي نازکي از عايق )اکسيد گيت(از آن جدا شده است. شکل 2-1 نمايي از بالا و پهلو يک CNFET را نشان ميدهد، بطوريکه آرايه اي از چهار نانو لوله ي تک ديواره به عنوان کانال استفاده شده است. اولين بار اين ساختار توسط دکر [8] و IBM در سال 1998 مورد بررسي قرار گرفت.
سپس، پيشرفتهاي قابل ملاحظه اي بروي ساختار مدارات و قطعات مبتني بر نانو لوله هاي کربني انجام شده است. پياده سازي فيزيکي وارونگر [9] ، اسيلاتور 5مرحله اي [10] ،گيت NAND و NOR و سلولهاي SRAM [11] که با اين ساختار ساخته شده اند، توسط گروههاي تحقيقاتي مختلف مورد بررسي قرار ، گرفته است. در سال 2006، IBM اعلام کرد که اولين مدار مجتمع مبتني بر نانولوله هاي کربني را ساخته است [12] . راگرز، يک مدار مجتمع با مقياس متوسط با استفاده از ترانزيستورهاي ، بر روي يک بستر پلاستيکي نازک را به اثبات رساند. [13] در حال حاضر، اصلي ترين چالش که در نانو لوله هاي کربني با آن مواجهيم رشد نا خواسته فلز بروي لوله ها و همچنين جايابي و تراز و تنظيم آرايهاي از نانو لوله هاي کربني مجاور هم ساخته شده است.
اين قطعات منطقي ذکر شده قابليت جايگزين شدن CMOS در دوران بعد را دارند. NWFET و CNFET قطعات يک بعدي، گرافن دو بعدي و ترکيب نيمه هادي 3 و 4 سه بعدي است. مي دانيم که قطعات يک بعدي (CNFET,NWFET) اجازه انتقال پرتابي به حاملها را بدون هيچ پراکندگي ميدهند و در نتيجه کارايي اين قطعات به مراتب بالاتر از قطعات دوبعدي و سه بعدي است.
عدم وجود قيدهاي معلق در سطح CNT باعث ادغام راحت تر عايق K بزرگ و داشتن خاصيت الکترواستاتيکي بهتر در گيت است؛ که در نتيجه آن، slope هاي زيرآستانه و جريان off در قطعات مبتني بر CNT پايين مي آيد. همانطور که قبلا نيز گفته شد، خاصيت تحرکپذيري در ترانريستورهاي ترکيبي نيمه هادي نوع 3و 4، گرافن،و NWFET )بسته به اينکه چه ماده اي در کانال آن استفاده شود) بيشتر از سليکون است که باعث شده است که سرعت حامل ها در آنها بسيار بيشتر از CMOS سيليکوني باشد. قابليت تحرکپذيري در CNFET و گرافن در يک محدوده هستند( 10000 تا که همين خاصيت باعث شده که قويترين کانديد براي تکنولوژي آينده باشند. علاوه بر اين، بر اساس گزارش ITRS در سال 2009 ترانزيستورهاي مبتني بر نانو لوله هاي کربني و گرافن پتانسيل بالايي براي اينکه قسمتي از مدارات مجتمع در مقياس گيگا، باشند را نيز دارند.
2-1-1 -نانوسيم هاي سيليكوني
نانوسيمهاي نيمه هادي مانند نانوتيوبها ميتوانند به عنوان سيمهاي اتصالي به كار روند تا سيگنالها را انتقال داده و همچنين ميتوانند قطعه فعالي باشند. نانوسيمها سيمهاي بسيار نازك بلندي هستند كه از مواد نيمه هادي مانند سيليكون يا ژرمانيم با قطري در حد سه نانومتر و طول چند ميكرومتر ساخته شده اند. قطر مورد نظر 8 برابر كوچكتر ازحداكثر مقدار قابل دسترسي توسط روشهاي مبتني بر نقش نگاري نور است .[5]
رشد نانوسيمها توسط روشهايي مانند تبخير ليزري،1 CVD ، VLS 2 يا تركيبي از اين سه روش انجام شدهاست. در صورتي كه نانوسيم به عنوان نيمههادي استفاده شود، روش رشد بايد كنترل كافي روي سطوح ناخالصي داشته باشد تا سطوح ناخالصي نانوسيمها در طول آن قابل كنترل باشد.[5]
قطعات فعال ميتوانند با استفاده از نانوسيم و كنترل كردن پروفايل ناخالصي ساخته شوند. در صورتي كه يك نانوسيم بخش كوچكي داشته باشد كه حاملهاي كمتري نسبت به بقيه سيم دارا باشد، يك ترانزيستور اثر ميداني ميتواند ايجاد شود . كم كردن غلظت اتمهاي ناخالصي در محيط رشد براي يك پريود زماني ميتواند چنين ناحيهاي با ناخالصي كمتر را ايجاد كند. در صورتي كه سيم ديگري بالاي اين ناحيه قرار بگيرد و عايق اين دو سيم را از هم جدا كند، منجر به تشكيل ترانزيستور اثر ميداني ميشود. براي كنترل جريان، يك بار روي سيم بالايي قرار ميگيرد تا حاملها را در نواحي اثر ميداني سيمهاي پاييني تخليه كند. بقيه سيم هم تحت تاثير قرار نميگيرد، چون تمركز حاملها به اندازهاي بالا است كه تخليه نشوند.شکل 1-3 يك ترانزيستور مبتني بر نانوسيم سيليکوني را نشان ميدهد.
1chemical vapor deposition
2 vapor liquid solid synthesis
شکل 1-3: ترانزيستور اثر ميداني مبتني بر نانوسيم سيليکوني [5].
در نگاه اول نانوسيمها و نانوتيوبهاي كربني بسيار مشابه به نظر ميرسند. هر دو براي شكل دادن قطعات فعال و سيمهاي اتصالي با ابعاد چند نانومتر ميتوانند به كار روند. به هر حال تفاوتهايي وجود دارد كه نانوسيمها را تا حدي قابل قبولتر از نانوتيوبها ميكند. در حالي كه نانوتيوبها از لحاظ فيزيكي مستحكم بوده و شكل فلزي آنها ويژگيهاي هدايتي فوقالعادهاي دارد، عدم توانايي رشد نانوتيوبها با ويژگيهاي مطلوب يك مانع بزرگ در راه استفاده از آنها در مدارهاي مجتمع است. روشهاي كنوني براي ايجاد نانوتيوبها هم ساختارهاي فلزي و هم نيمههادي ايجاد ميكند و مشخصات نيمه هادي آنها از يك تيوب به تيوب ديگر تغيير ميكند. از سوي ديگر سطوح ناخالصي نانوسيمها و بنابراين ويژگيهاي هدايتي نانوسيمها ميتواند كنترل شده باشد. سطوح ناخالصي ميتواند در طول يك نانوسيم هم متغير باشد. در صورتي كه نانوتيوب به طور کامل فلزي يا نيمههادي است. همانطور كه قبلا بحث شد، اين كنترل، حالتهاي مختلفي براي نانوسيمها فراهم ميكند. همچنين، تكنيكهاي ايجاد ساختارهاي منظم براي نانوسيمها نسبت به نانوتيوب ها توسعه بيشتري پيدا كرده اند[5].
فصل دوم
مروري بر تحقيقات انجام شده
2-1- ساختار ترانزيستورهاي مبتني بر نانولوله هاي کربني
خصوصيات الکتروني عالي ترانزيستورهاي ساخته شده با استفاده از CNT ، آنها را به عنوان کانديدهاي بالقوه مدارات مجتمع آينده تبديل کرده است. اصليترين تفاوت بين CNFET و SiCMOS جنس کانال آنها است، که در CNFET نانو لوله- هاي تک جداره ميباشد. نانو لولهي کربن تک جداره 1از استوانه هاي توخالي که اتمهاي کربن در آنها به شکل شبکه کندوي عسل مرتب شده اند، تشکيل شده است [14] .
اولين بار اين ساختار در سال 1993 توسط بتهون2 [15] و ايجما [16] 3معرفي شده است. به هدف تجسم فکري بهتر، ميتوان گفت که SWCNT با غلتانده شدن يک ورقه گرافن بدست ميآيند. ساختار نواري SWCNT را همچنين مي توان با استفاده از بردار کايرال توصيف کرد:
که در آن n و m اعداد صحيح و نشاندهنده کايراليتي لوله و a1 و a2 بردارهاي ثابتي از شبکه گرافن است. شکل 1-2 نمايش مصوري از بردارهاي کايرال SWCNT را نشان ميدهد. مقدار m و n نشان دهنده خاصيت نانو لوله هاي کربني است که ميتواند خاصيت نيمه هادي و يا فلزي از خود نشان دهد؛ بر اين اساس که الف( اگر n=m باشد نانو لوله کربني خاصيت فلزي دارد. ب(اگر n-m=3i باشد، که i مقدار صحيحي است، نانو لوله کربني خاصيت نيمه هادي با ناحيه تخليه کوچک دارد [17] و ج( اگر n-m#3i باشد، خاصيت نيمه هادي با ناحيه تخليه بزرگ دارد [18].
1SWCNT
2Bethune
3Iijima
شکل 2-1) نمايش مصور از نانولوله تک جداره با آرايه متقارن
شکل 2-2 طرح کلي يک نانو لوله ي کربني فلزي )به شکل صندلي (1 و نيمه هادي )به شکل زيک زاک (2 ، را نشان ميدهد. هر دو نانوکربن فلزي و نيمه هادي کاربردهاي زيادي در نانو الکترونيک ميتوانند داشته باشند. انتقال پرتابي حاملها در نانو لوله هاي کربني تک جداره اتفاق ميافتد، زيرا ساختاري يکبعدي داشته و حاملها را محدود به حرکت تنها در طول لوله ميکند، که اين از پراکندگي حاملها در زاويهي گسترده جلوگيري کرده وموجب انتقال پرتابي آنها ميشود. همچنين ساختار يکبعدي، بردار موج Kc را محدود به مقدار معيني با برآورد کردن شرط Kc.C=2j ميکند؛ که j در آن عددي است ثابت وتنها ميتواند مقدار صحيح به خود بگيرد. بنابراين، هر نوار گرافن ميتواند به تعدادي زير نوار يک بعدي از آن تقسيم ميشود.
1Armchair
2Zig zag
شکل 2-2) يک نانو لوله ي کربني که توسط غلطاندن يک ورقه ي گرافيت بدست آمده، که با توجه به زاويه اي که با يکديگر ميسازند خاصيت فلزي)شکل بالايي) و يا خاصيت نيمه هادي)شکل پاييني(، از خود نشان مي دهند.
2-2 کاربرد نانو لوله هاي کربني در نانوالکتريک
همانطور که در قسمت قبل گفته شد، ساختار تک بعدي نانو لوله ي کربني فلزي به الکترون ها اين اجازه را ميدهد تا بدون پراکندگي، مسافت بيشتري را بتوانند طي مي کنند. ميانگين مسيري که در آن CNT فلزي ميتواند اکترونها را حمل کند در حدود 110 نانومتر برآورد شده است [15] ؛ که بسيار بيشتر از اتصالات مس از که تنها 40 نانومتر اجازه ي طي مسير به الکترونها را ميدهد، ميباشد25 ) برابر اتصالات مس در دماي اتاق.) علاوه براين، ظرفيت انتقال جريان نانو لوله ي کربني تقريبا 10^10 A/cm2 [19] است که چندين برابر ظرفيت انتقال جريان اتصالات مسي است. اين مزاياي باالقوه نانولوله هاي کربني فلزي باعث شده که آنها انتخاب مناسبي براي اتصالات در آينده و همچنين اتصالات در درون ترانزيستور1 باشند. در سال 2008 ، دونگ و همکارانش [20]مدارات مجتمعي را ساخت که در آن SWCNT ها به عنوان اتصلات استفاده شده است؛ و مدار با فرکانس بيش 1GHZ کار ميکرد.
خازن هاي روي تراشه براي بعضي از مدارات آنالوگ خاص و در مدارات ديجيتال به هدف قطع ارتباط استفاده ميشوند.
1 Via
تکنولوژي کنوني مدارات ديجيتال مجتمع از خازنهاي فلز-عايق-فلز 1 و نيمه هادي-اکسيد فلزي2 به عنوان خازن هاي جداکننده در مدارات مجتمع استفاده ميکنند. اگرچه، اصليترين مشکل اين خازنها کم بودن ظرفيت آنها به ازاي هر يک ناحيه است. نانو لوله هاي کربني، به دليل مقاومت در مقياس نانو، مي-توانند انتخاب خوبي براي خازنهاي مجتمع در مدارات باشند. [21] محققين نشان داده اند که استفاده از CNT به عنوان خازن باعث افزايش قابل ملاحظهاي در ظرفيت به ازاي هر ناحيه ميشود و فاکتورهاي کيفيتي بالا نسبت به MIM و MOS ميشود [22] و .[23]
نانو لوله هاي کربني همچنين ميتوانند به عنوان عايق بروي تراشه استفاده شوند [24] و [25] .زيرا آنها داراي اثرگذاري کوچکتر، جريان تحريک بالاتر و خميدگي کمتر هستند. به تازگي دانشمندان، نتايج اميدبخشي از استفاده از CNT ها به عنوان القاگرهاي منفعل در تقويت کننده هايي با نويزپايين3 را بدست آورده اند [26] .
نانو لوله هاي کربني همچنين داراي خواصعالي مکانيکي علاوه بر خصوصيات ممتاز الکترونيکي هستند. استحکام مکانيکي قوي آنها را به انتخابهاي خوبي براي ساخت قطعات الکترونيکي انعطافپذير تبديل کرده است. گروههاي متفاوتي ساخت CNFET [27] و مدارات مبتني بر آنها [28] بر بسترهاي انعطافپذير با کارايي در رنج 40MHZ تا 6GHZ را گزارش داده اند.
2-3 روش هاي توليد و رشد نانو لوله هاي کربني
روشهاي مختلفي توسط دانشمندان براي رشد دادن SWCNT مثل تخليه الکتريکي کماني4 ، تبخير ليزري5و رسوب گذاري بخار شميايي ( CVD ) ارائه شده است. بين تمام روشهاي ساخت ،روش CVD نانو لوله هاي تميزتر و مرتبتري را توليد مي کند و همچنين عمليات روش CVD مطابق با روشهاي ساخت کنوني تراشه ميباشد. بنابراين، در اين پاياننامه فرض ميکنيم که ها به روش CVD ساخته شده اند.
MIM 1
MOS2
Low Noise Amplifier(LNA)3
Arc Discharg 4
Laser Vaporization 5
نانو لوله ها ميتوانند ساخته شده و بعد بروي بستره قرار گيرند و سپس CNFET بروي آنها ساخته ميشود [29] . کوکباس [30] رشد نانو لوله هاي کربني بروي بستر تک کريستالي ياقوت يا الماس را نشان داد که سپس آن را بروي بستره اي نرم براي ساخت CNFET ها انتقال داد.
همچنين CNT ها ميتوانند بروي محل يا بستري که ميخواهيم را بعدا روي آن بسازيم، ساخته شوند. کونگرشد SWCNT را بروي ويفر SiO2/Si را نشان داده است. [31]
شکل 3-2 روش CVD براي ساخت CNT ها را نشان ميدهد.در اين عمليات ، يک کاتاليزور مثل Fe ، Co يا p+ در حضور ترکيبات هيدروکربن در کوره گرم ميشوند؛ واکنش گاز هيدروکربن و ماده کاتاليزور باعث توليد و رشد CNT ها ميشود که تنها بروي جايي که
ذرات کاتاليزور ته نشين شدهاند رشد ميکنند. بنابراين، نياز به تمييز کردن و مرتبسازي بعدي آنها نيست. در اين روش امكان توليد پيوسته نانولوله ها وجود دارد و مهمترين گزينه براي توليد انبوه ميباشد.

شکل 2-3) ساخت نانولوله کربن به روش CVD
2-4 ترانزيستورهاي اثر-ميدان مبتني بر نانو لوله هاي کربني
در اين قسمت، براي انواع مختلف ترانزيستورهاي مبتني بر نانولوله هاي کربني تمرکز ميکنيم. دو نوع اصلي CNFET که توسط محققين کشف شده است، CNFET سد شاتکي [32] و CNFET نوع [33] MOSFET ميباشد. در شکل 4-2 )الف( ساختار قطعه و شکل5-2 (الف) خصوصيات هدايتي ترانزيستورهاي SB1 را نشان ميدهد و شکل 2-4 )ب( و شکل 2-5 )ب( خصوصيات هدايتي ترانزيستورهاي MOSFET را نشان ميدهد. در ترانزيستورهاي مبتني برنانو لوله کربني نوع SB ، ولتاژ گيت، عرض سد شاتکي را همانطور که در شکل 4-2 )الف( مشاهده ميشود، در سورس کنترل ميکند؛بنابراين، وجود تونل در قسمت سورس کانال، جريان ON ترانزيستور را کنترل و اين قطعات باعث هدايت دوقطبي در آن ميشوند.
شکل 2-4) ساختار ترانزيستور مبتني بر نانولوله هاي کربني الف) نوع SB ب( نوع MOSFET
Schottky Barrier(SB) 1
شکل 5-2) ناحيه هدايت ترانزيستور مبتني بر نانولوله هاي کربني الف( نوع SB ب( نوع MOSFET
شکل 2-5(ب) طرح کلي يک ترانزيستور- n مبتني نانولوله هاي کربني نوع MOSFET ، که در آن سورس و درين بصورت شميايي توسط پتاسيم ناخالص شده اند را نشان ميدهد و MOSFET نوع- p ناحيه سورس و درينش توسط چن [34] و ، SbCI6(OA) +(C2H5)3O ناخالص شده است . در ترانزيستورهاي مبتني نانولوله هاي کربني نوع MOSFET هدايت کانال همانطور که در شکل 2-5(ب) مشاهده ميشود، توسط ولتاژ گيت کنترل ميشود. ناخالص سازي ناحيه سورس ودرين در اين نوع ترانزيستور مانع انتقال الکترونها و حفرهها ميشود و بنابراين، باعث خاصيت تک قطبي هدايت آن ميشود.
مهمترين مشکل ترانزيستورهاي نوع SB ، وجود SB در بين CNTو محل اتصال سورس ودرين است که منجر به ايجاد slope زير آستانه زياد و هدايت دوقطبي در قطعات در مقياس نانو مي شود. اين مشکل از لحاظ مختلف جريان ON را محدود ميکند و باعث افزايش جريان OFF بصورت نمايي ميشود، که هر دو اينها براي داشتن کارايي بالا و توان مصرفي پايين غيرقابل قبول هستند. بنابراين، ناخالص سازي و استفاده از مواد مختلفي براي انجام آن )همانطور که در پاراگراف قبل بحث شد(، در هنگام ساخت CNFET بکاربرده ميشود تا داراي slope زير آستانه کم و هدايت تک قطبي باشيم. از آنجاييکه که CNFET هاي نوع MOSFET داراي کارايي بالا و جريان OFF کوچک هستند، در اين پايان نامه اين نوع از CNFET ها مورد توجه بوده و به منظور سادگي وقتي از CNFET نام ميبريم منظور همان CNFET نوع MOSFET ميباشد.
1-4-2 روال ساخت ترانزيستورهاي مبتني بر نانولوله هاي کربني
شکل 6-2 نمونه اي از روال عمليات ساخت CNFET نوع MOSFET را نمايش ميدهد. در اينجا در ابتدا SiO2 به وسيله ي گرما بروي ويفر سيليکون رشد مي دهند )شکل 6-2 الف(، سپس توسط نقش نگاري نوري علامتهاي تنظيم شده و از قبل تعيين شده بروي ناحيه نشان داده شده شکل – 6 )ب(، جايي که بعدها CNT بروي آن رشد داده ميشود، حکاکي ميشود. پس از آن پنجره هايي به عنوان مانع نور بروي ناحيه درين وسورس قرار داده ميشود تا مانع ته نشين شدن کاتاليزور Fe ، Co و يا Pt در آن نواحي شود) شکل 6-2ج(همانطور که در شکل 6-2 )د( ديده ميشود کاتاليزور به شکل قطعات مايع يا لايه اي نازک از فيلم فلزي آن، بروي ناحيه مشخص شده در بستره ته نشين ميشوند. سپس پنجره هاي زدنور بصورت شميايي خورده ميشوند) شکل 6-2 ه (و بعد ازآن SWCNT بروي ناحيه کاتاليز شده Si/SiO2 به روش CVD همانطور که در شکل 6-2 )و( مشخص است، سنتز ميشود. بعد ايجاد نانو لوله هاي کربني، ناحيه اتصال سورس و درين توسط روش ليتروگرافي نوري و يا پرتويي حکاکي ميشود.
به دنبال استفاده از ليتروگرافي پرتوي، فيلمهاي فلزي با ضخامت تقريبا 7 تا 30 نانومتر بروي اين نواحي گذاشته ميشود) شکل 6-2)پالاديوم 1 به عنوان ناحيه سورس و درين هم براي نوع- n [34] وهم نوع- p [35] ، استفاده ميشود. بروي پشته گيت يک عايق K بزرگ HfO2,ZrO2 قرار دارد و فلز گيت بصورت ته نشست لايه ي اتمي 2 و تکنيک برش بروي آن ساخته ميشود؛ تا هيچ روي هم افتادگي و اشتراکي بين آن وفلز سورس ودرين صورت نگيرد [36] .شکل 6-2)ح( اين نحوه ساخت را نشان ميدهد. در طول اين عمليات قسمتهايي از لوله هاي نانو که قرار است ناخالص شوند، کاملا دست نخورده باقي ميمانند. ناحيه سورس ودرين، بين پشته گيت و ناحيه اتصال فلز سورس ودرين همانطور که در شکل 6-2)ط ( مشخص است، براي ناخالص سازي ترانزيستور نوع- n [34] ، در معرض بخار پتاسيم در خلاء و ترانزيستور نوع- p در معرض SbCI6(OA) +(C2H5)3O قرار ميگيرند [37].
1 Pd
Atomic Layer Deposition(ALD) 2
شکل 2-6) مثالي از ساخت CNFET الف(رشد حرارتي SiO2 بر روي ويفر سيليکون.ب(کشيدن الگوي براي تنظيم نشانه ها.ج(باز کردن پنجرههاي ضد نور.د(رسوب کاتاليزور. ه(خوردگي ماده ضد نور. , (رشد نانو لوله ها به روش CVD .ز(ساخت الکترودهاي فلزي. ح(ساخت پشته بالاي گيت که شامل و فلز گيت ميشود.ط(ناخالص سازي CNT
5-2 مزاياي استفاده از ترانزيستورهاي مبتني بر نانو لوله هاي کربني
ترانزيستورهاي مبتني بر نانو لوله هاي کربني تک جداره، به دليل خصوصيات فوق العاده انتخاب هاي احتمالي براي مدارات مجتمع ديجيتال آينده ميباشند [38] . بعضي از اين خصوصيات عبارتنداز زياد بودن مسير آزاد پراکندگي 36 که بيش از يک ميکرومتر است [37] و منجر به ايجاد قابليت حرکت پرتابي نزديک در آنها ميشود [39] ، تحرک پذيري بالاي حامل ها در نيمه هادي هاي CNT که تقريباً است [40] ادغام راحت مواد عايق با K بزرگ مثل ZrO2 يا HfO2 که باعث بهتر شدن خاصيت الکتروستاتيکي گيت ميشود؛ به دليل خواص ذکر شده، CNTFET قابليت اين را دارند که کارايي بالا و توان مصرفي پايينتري در مقايسه با تکنولوژي سيليکوني ارائه دهند [42] [41] . نتايج تجزيه وتحليلهاي نظري نشان ميدهند که CNFET سيزده برابر ترانزيستورهاي PMOS و شش برابر ترانزيستورهاي NMOS ، در تکنولوژي با ابعاد 32 نانومتر، سريعتر ميباشد. [43]
6-2 -چالش هاي ترانزيستورهاي مبتني بر نانو لوله هاي کربني
از زماني که



قیمت: تومان


پاسخ دهید