عنوان پایان‌نامه
بررسی ترانزیستور های اثر میدانی اسپینی مبتنی بر نانو نوارهای گرافینی
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق-الکترونیک- تکنولوژی نیمه هادی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 2545;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 65111
- تاریخ دفاع
- ۱۲ شهریور ۱۳۹۳
- دانشجو
- کاوه خلیجی
- استاد راهنما
- مرتضی فتحی پور, مهدی پور فتح
- چکیده
- در این رساله، انتقال الکترونی با در نظر گرفتن درجهی آزادی اسپین در ترانزیستورهای اثر میدان و نیز در اتصالات میانی مبتنی بر نانونوارهای گرافینی مورد بررسی قرار گرفته و تاثیر کرنش تک محوره بر مشخصه های عملکردی این افزاره ها شبیه سازی و تحلیل شده است. به این منظور، برای نانونوارهای آرمچیر گرافینی، از روش تنگ بست که در آن اثر همسایه های اول، سوم و هم چنین پدیده ی واهلش لبه لحاظ شده، بهره برده شده است. برای نانونوارهای زیگزاگ، محاسبات با استفاده از حل خود سازگار مدل هابارد که برهم کنش الکترون-الکترون را لحاظ می کند و نیز کاربرد فرمالیزم تابع گرین غیرمتعادل انجام می شود. در ترانزیستور اثر میدان اسپینیِ پیشنهادی که مبتنی بر قابلیت نیمه فلزی نوار انرژی در نانونوارهای زیگزاگ است، محاسبات انجام شده نشان می دهد که با اعمال کرنش کششی می توان نسبت رسانایی روشن-خاموش افزاره را افزایش داد. شبیه سازی های صورت گرفته در بررسی اثرات غیر ایده آل نظیر نقص جای خالی، ناهمواری لبه و نوسانات پتانسیل القاء شده توسط ناخالصی های باردار بستر، نشان می دهد که تغییر نیمرخ توزیع پتانسیل ناشی از حضور ذرات باردار موجود در بستر، اثر چندانی بر عملکرد افزاره ندارد و ناهمواری لبه و نقص جای خالی هر دو، نسبت رسانایی روشن-خاموش افزاره را کاهش می دهند. با بررسی اثر کرنش بر عناصر مداری اتصالات میانی، نشان داده شده است که با اعمال کرنش فشاری، می توان امپدانس کلی سیم را کاهش داد. هم چنین ارزیابی و مقایسه ی تاخیر و حاصلضرب تاخیر-انرژی مصرفی (EDP) نانونوارهای تک و چند لایه نشان می دهد که با اعمال کرنش فشاری می توان تاخیر و EDP اتصال میانی را کاهش داد. اگرچه درصد بهبود این پارامترها در نانونوارهای تک لایه بیش از معادل چند لایه ی آنها است، در حضور کرنش فشاری و حتی در طول های بالا هم، نانونوارهای گرافینی تک لایه نمی توانند عملکردی بهتر از مشابه چند لایه ی خود داشته باشند. بررسی های صورت گرفته برای اتصالات میانی اسپینی، نشان می دهد که با اعمال کرنش فشاری می توان ضریب نفوذ و بازده تزریق اسپینی را افزایش داد. هم چنین از دید تاخیر و انرژی مصرفی، مقایسه اتصالات میانی الکتریکی و اسپینی، نشان می دهد که اتصالات اسپینی در بهترین حالت، صرفاً در طول های کوچک می توانند قابلیت رقابت با سیم های الکتریکی را داشته باشند.
- Abstract
- In this thesis, taking into account the spin degree of freedom for electrons, the electrical transport in the field effect transistors and the interconnects based on graphene nanoribbons (GNRs) is studied and the influence of uniaxial strain on their performance characteristics is analyzed. Towards this goal, for armchair GNRs, a tight binding Hamiltonian for up to the third nearest neighbors including the edge bond relaxation phenomenon is considered. The calculations for the zigzag GNRs are carried out employing a self-consistent solution of the non-equilibrium Green’s function formalism with the Hubbard equation in which the electron-electron interactions are accounted for. Moreover, a previously proposed spin transistor based on the semimetal nature of the zigzag GNRs is investigated. It is shown that with the application of tensile strain, the on-off conductance ratio can be increased in this transistor. Simulation of the effects of non-idealities such as single-atom vacancies, line edge roughness, and potential fluctuations induced by substrate impurities demonstrates that the modification of the potential profile due to the charged particles in the substrate does not have a pronounced influence on the device performance. On the other hand, both line edge roughness and single atom vacancies tend to degrade the ON-OFF conductance ratio of the device. By investigating the effect of strain on the values of the equivalent circuit elements of interconnects, it is shown that compressive strain can reduce the total impedance of the wires. Additionally, analysis of the delay and energy-delay products in single- and multi-layer GNRs illustrate that upon the application of compressive strain, these parameters can be reduced in interconnects. Although the percentage of improvement due to compressive strain in monolayer GNRs is higher than that in their multilayer counterparts, even in the presence of compressive strain and for long interconnects, the monolayer GNRs cannot outperform their multilayer analogues. The simulation results on spin interconnects show that upon application of compressive strain, the diffusion coefficient and the spin injection efficiency can be enhanced. Comparing the spin and non-spin interconnects from the energy consumption and delay viewpoints, it is shown that spin interconnects can only be competitive for short lengths.
