عنوان پایان‌نامه
بررسی اثرات کرنش تک محوره بر عملکرد ترانزیستور هیا اثر میدان مبتنی بر نانو نوارسیلیسینی
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق-الکترونیک- تکنولوژی نیمه هادی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 2934;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 74750;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 2934;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 74750
- تاریخ دفاع
- ۰۹ شهریور ۱۳۹۴
- دانشجو
- محسن محمودی
- استاد راهنما
- مرتضی فتحی پور
- چکیده
- سیلیسین، عضو نسبتاً جدید خانواده‌ی مواد کم بعد، شبیه‌ترین ماده‌ی دوبعدی شناخته شده به گرافن از نظر ویژگی‌های ذاتی است که سازگاری زیادی با فرایندهای ساخت افزاره‌های نیمه‌هادی دارد. در این پایان‌نامه مشخصه‌های الکتریکی ترانزیستورهای اثر میدان مبتنی بر نانو نوارهای سیلیسینی، در شرایط عملکرد عادی و به هنگام اعمال کرنش تک محوره مورد بررسی قرار می‌گیرد. اثبات می‌شود که اعمال کرنش یکی از مؤثرترین روش‌ها در بهبود خواص اساسی سیلیسین است. سنجش اثرات کرنش تک محوره در تعدیل پارامترهای تنگ‌بست متناظر با هندسه‌ی منحصربه‌فرد کم‌کمانش سیلیسین، با الهام از مدل‌های مربع معکوس و نزولی نمایی، رویکرد عددی جدیدی است که برای اولین بار در این تحقیق ارائه می‌شود. بهره‌گیری از مدل تنگ‌بست در دل فرمول‌بندی توابع گرین نامتعادل و در کنار حل خودسازگار معادلات سه و دوبعدی پواسون-شرودینگر، مسیر اصلی بررسی ترابرد کوانتومی حامل‌ها در افزاره‌ی مورد مطالعه است. مشخصه‌های جریان-ولتاژ، نسبت جریان‌های روشن به خاموش، سوئینگ زیر آستانه، هدایت انتقالی و زمان تأخیر ذاتی از مهم‌ترین نتایجی هستند که تحت تأثیر تغییرات طولی، عرضی، دمایی و همچنین الاستیکی ماده‌ی کانال و از طرفی تغییرات ضخامت و جنس اکسید عایق گیت ترانزیستور به‌دست می‌آیند. نشان می‌دهیم افزایش (کاهش) دما و کرنش، بر خلاف کاهش ضخامت اکسید و استفاده از مواد عایق با ثابت دی الکتریک بالا، تنها به بهبود کیفیت کلیدزنی و یا سرعت عملکرد افزاره‌های ترانزیستوری سیلیسینی منجر می‌شوند؛ بنابراین با ارائه‌ی دستورالعملی به طراحی ترانزیستورهایی با عملکرد بهینه در گستره‌ی تغییرات دمایی و کرنش جهت می‌دهیم. این بخش از شبیه‌سازی‌ها برتری ترانزیستورهای مبتنی بر سیلیسین در مقایسه با ترانزیستورهای رایج اثر میدان موجود را به وضوح به تصویر می‌کشد. همچنین، مهندسی کرنش را در مورد افزاره‌های ترموالکتریک سیلیسینی مورد ارزیابی قرار می‌دهیم. افزاره‌هایی که با وجود سودمندی به دلیل بازدهی پائین یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در پیشرفت فن‌آوری به حساب می‌آیند. سیلیسین به دلیل برخورداری از هدایت حرارتی پائین و در مقابل هدایت الکتریکی قابل قبول و همچنین داشتن شکاف انرژی تنظیم‌پذیر، از نظر خواص ترموالکتریکی ماده‌ی مطلوبی است. به کمک روش ثابت فنر، ماتریس دینامیکی هر یک از نوارهای سیلیسینی را محاسبه و به کمک نظریه‌ی کشسانی، پارامترهای تأثیرپذیر از کرنش را تصحیح می‌کنیم. سپس عملکرد ترموالکتریکی نوارهای سیلیسینی تحت کرنش را در ساختار شبه ترانزیستوری بدون گیت در رژیم ترابرد بالستیک کامل مورد سنجش قرار می‌دهیم. بازدهی مناسب افزاره‌های ترمـوالکتریک سیلیسینی که در مقیاس‌های کوچک بسیار ارزشمند است نتیجه‌ی مهمی است که در این بخش از شبیه‌سازی به وضوح قابل استناد است. واژه‌های کلیدی: ترانزیستورهای اثر میدان سیلیسینی، اثرات کرنش تک محوره‌ی کششی و فشاری، فرمول‌بندی توابع گرین نامتعادل، حل خودسازگار معادلات پواسون-شرودینگر، افزاره‌های ترموالکتریکی
- Abstract
- The relatively new member of the low-dimensional materials family, silicene, has largest similar to graphene among known two-dimensional materials, in terms of intrinsic properties and might be well compatible with the current semiconductor technology. In this thesis, the electrical characteristics of silicene nanoribbon field-effect-transistors (FETs) are thoroughly investigated under normal operation as well as by applying uniaxial strain. It is shown that the application of strain is one of the most effective methods to improve the basic properties of silicene. Measuring the impact of uniaxial strain to adjust tight-binding (TB) parameters corresponding to the unique low-buckled (LB) geometry of silicene, inspired by inverse-square and exponential decay models, is a new numerical approach presented for the first time in this study. Using non-equilibrium Green's function (NEGF) formalism in the TB approach as well as the self-consistent solution of three and two-dimensional Poisson-Schr?dinger equations, is the main direction of quantum transport investigation of carriers in the target device. The current-voltage characteristics, on-off current ratio, subthreshold swing, transconductance and intrinsic delay time are important parameters that are obtained in the presence of changes in length, width, temperature and also elasticity of channel material as well as changes in the thickness and types of gate insulator oxide. We demonstrate that, unlike using high-k dielectric materials and/or reducing oxide thickness, increase (decrease) in temperature and strain improve either quality or speed of switching silicene transistors. Thus, we offer instruction to design transistors with optimal performance over a range of temperatures and strains. This part of simulations clearly illustrates the advantages of silicene-based transistors in comparison with conventional field-effect transistors. We also evaluate the effect of strain engineering on the silicene thermoelectric devices. Thermoelectric devices have many advantages over other energy converters, but their low efficiency is a major roadblock. With low thermal conductance, acceptable electrical conductance and also tunable energy bandgap, silicene is a promising thermoelectric material. In order to calculate dynamic matrix, we use the force constant method for each silicene ribbons and correct the force constant tensor components with the help of elasticity theory. Then, we investigate the thermoelectric performance of strained silicene ribbons in a quasi-transistor structure with no gate modulation, under full-ballistic transport regime. The suitable efficiency of silicene thermoelectric devices, which is valuable at small scales, is clearly documented in this part of simulation. Keywords: Silicene field-effect transistors (FETs), Effects of uniaxial tensile and compressive strain, Non-equilibrium Green’s function (NEGF) formalism, Self-consistent solution of Poisson-Schr?dinger equations, Thermoelectric device
