به نام خدا

1. به نام خدا موضوع سمینار درس کوانتوم الکترونیک: تحقیق، بررسی و مطالعه کوانتومی ترانزیستورهای مبتنی بر نانولوله های کربنی(CNT) استاد: دکتر شهرام محمدنژاد تاریخ ارائه: 92/9/26

2. مقدمه نوع n انواع طراحی ترانزیستورهای CNT دو قطبی نوع p S G D 1- گیت بالا: 2- گیت پایین: CNTFETها

3. مقدمه ای بر CNT تک دیواره ای انواع CNTها: چند دیواره ای 0.338 nm 1- استحکام فوق العاده پیوند کربن-کربن 2- وجود تحدید کوانتومی بعلت کوچک بودن شعاع کربن نانوتیوب 3- دسترسی به الکترون های pدر ساختار گرافیتی دلایل استفاده از کربن نانو تیوب: d = 0.4nm - 10nm برای CNT تک جداره مشخصات عمومی یک CNT:

4. مقدمه ای بر CNT تقسیم بندی کربن نانوتیوب ها براساس بردار کایرال: معمولا 33-60% از CNTها تشکیل می دهد C = na1 + ma2بردار کایرال  زاویه کایرال نسبت به محور زیگزاگ metallic semiconducting Eg/2 (5,0) semiconducting (5,5) metallic

5. تاریخچه Tans در سال 1998اولین CNTFETرا طراحی کرد : استفاده از SWCNT برای کانال بکارگیری Platinum در اتصالات گیت زیرین از جنس Silicon(Si) مزیت : رسانندگی در این طراحی 5 برابر شده. عیب : ضخامت لایه اکسید زیاد است. نوع PیکCNTFET با تکنیک طراحی Tans مشخصه I-V

6. n-type FET Enhanced-mode p-type FET تاریخچه Bachtholdدر سال 2001 : استفاده از گیت Al بجای گیت Si نازک نمودن لایه اکسید با بکارگیری لایه Al2O3 اتصالات از جنس طلا(AU) تغییر رفتار ترانزیستور از نوع p به نوع n با تغییر بایاس گیت جنس اکسید از TiO2 • Bottom-gate without top oxide • Bottom-gate with top oxide Yang : در سال 2006 • Top-gate with top oxide

7. ساخت مراحل ساخت: 1- ویفر سیلیکونی دوپه شده تبهگنی با 200nmسیلیکون دی اکسید با رشد حرارتی( این ویفرها می توانند یا با اکسید خریده شوند یا می توان در کوره های MOS رشدشان داد. 2- زدایش 700nm در ویفر برای اتصال حفرههای گیت زیر و مسیرهای سطح . در این طراحی از 5x g-line steper و Shipley 1813 photoresist بدون برگشت تصویر استفاده می شود. 3- بعد از زدایش معمولا آلودگی های سطحی بوجود می آید که پلاسمای مورد نیاز برای زدایش باعث بسپارش فوتورزیست شده و توده های بزرگی را بر روی سطح لایه نشانی می کند، که برای حذف آن از پاک کننده استاندارد MOS سطح که ابتدا از شتشوگر و و به دنبال آن از یک شوینده استفاده می شود و از یک مقدار کمی در انتها بکار گرفته می شود. 4- بمنظور جلوگیری از ذوب شدن نانوتیوب از روش رشد flying-catalistبا گرمایش سریع استفاده می شود. کاتالیست از روش 5x stepper و از فوتورزیست Shipley 1805 بدون برگشت تصویر بدست می آید. 5- رشد نانوتیوب با استفاده از کاتالیست رشده داده شده. سیلیکون گیت پایین با تزریق تبهگنی ارتباط الکتریکی با نانوتیوب از Palladium 200nm لایه سیلیکون دی اکسید کاتالیست پدهای ارتباطی برای نانوتیوب CNT مثالی از یک CNTFET

8. ساخت تصویر AFM از یک ترانزیستور کربن نانوتیوب از نوع Back-gate.

9. ساخت مراحل ساخت یک CNTFET با طول کانال کمتر از 20nm Seidel et al., Nano Letters, vol. 5, no. 1, pp. 147-150, 2005

10. ساخت • انواع روشهای ساخت ترانزیستور نانولوله ای نوع n (توسط Deryckeدر سال 2001): • گداختگی(Annealing) • افزایش ناخالصی(Doping) در این روش ساخت نانولوله در دمای 450C°در فضای نیتروژن گرم می شود تا اکسیژنهای جذب شده توسط نانولوله از آن خارج شده و از نوع p به نوع n تبدیل شود که به دلیل افزایش سطح فرمی این تبدیل رخ می دهد. همچنین این تبدیل یک تبدیل برگشت پذیر است و نانولوله می تواند با گرفتن اکسیژن به نوع p برگردد. گداختگی: با توجه به شکل زیر نمودارهای مشکی رنگ نشان دهنده رابطه جریان درین و ولتاژ گیت- سورس برای نوع p است و حفره ها فقط در کمتر از صفر باعث ایجاد جریان شده و ترانزیستور وصل می باشد. با گداخته شدن در فضای خلاء ترانزیستور مورد نظر به نوع n تبدیل شده که بیانگر این است که فقط الکترون ها در این حالت عامل هدایت می باشند. نمودارهای ابی رنگ بیانگر حالتی مابین نوع n,p است که در این حالت هم الکترون ها و هم حفره ها می توانند به عنوان حامل استفاده شوند که در این حالت به ترانزیستورهای نانولوله ای کربنی دوقطبی نامیده میشوند.

11. ساخت افزایش ناخالصی: در این روش از یک اتم بخشنده پتاسیم استفاده می شود و این افزایش ناخالصی باعث افزایش الکترون های روی سطح نانو لوله می گردد که در این حالت عکس عمل گداختگی دیگر ارتفاع سد شاتکی با گداختگی برای االکترون ها کاهش نمی یابد بلکه عرض سد پتانسیل کاهش می یابد و باعث تونل زنی از میان سد خواهد شد. نمودارهای انرژی برای حالت های تزریق N و تزریق زیاد N در شکل زیر نشان داده شده. بعلت نوع پروسه ساخت دیگر حالت دوقطبی وجود نخواهد داشت. تفاوتهای روش ناخالصی با گداختگی: 1- در پتاسیم دوپینگ شده به نانو لوله ولتاژ آستانه به سمت ولتاژ منفی میل می کند. 2- نبود مرحله میانی در روش افزایش ناخالصی نانو لوله های کربنی به صورت طبیعی هنگامیکه در معرض هوا قرار می گیرند از نوع p می باشند و این بدان علت است که با ترکیب اکسیژن هوا سطح انرژی فرمی در حل تماس به نزدیکی باند والانس شیفت می کند که در نتیجه حفره ها سد کوچکتری نسبت به الکترون ها در مقابلشان می بینند. ترانزیستورهای نوع P :

12. کاربرد: ساخت گیت NOT با CNTFETها Derycke و همکاران در سال 2001 اولین اینورتر شبه CMOS را با استفاده از یک CNTFET نوع n و یک نوع pمطابق شکل زیر ساختند. درقسمت فوقانی ساختار یک نانولوله کربنی تک جداره ای روی الکترود های طلایی گذاشته شده است. مراحل ساخت: (aابتدا ماسفت را در حالت خلاء گداخته کرده تا اکسیژن از CNT ساختار جدا شود. (bغشائ پلیمری PMMA را بمنظور جلوگیری از ترکیب دوباره با اکسیژن بر روی ساختار کشیده می شود (cسپس پنجره ای را در PMMA با استفاده از لیتوگرافی بمنظور برخورد مستقیم ماسفت با اکسیژن برای ایجاد نوع P بوجود می آوریم.

13. کاربرد: طراحی مدارات منطقی با ترانزیستورهای Bachthold

14. ترانزیستور نانولوله ای دوگیتی در این طراحی، گیت ورودی گیت Al است که میدان های الکتریکی در طول B از نانولوله را که در شکل زیر نشان داده شده را کنترل کرده و عمل سوئیچینگ را انجام می دهد. در حالی که سدهای شاتکی بین فلز و نانولوله توسط گیت سیلیسیومی کنترل می شود. میدان های ایجاد شده توسط گیت Al روی سدهای شاتکی در محل تماس نانولوله و فلز تاثیر نمی گذارد. در این طراحی برای حذف خاصیت دوقطبی ترانزیستور از اثرات الکترواستاتیکی استفاده می شود تا یک ترانزیستور با قطبیت تنظیم پذیر بدست آید. خاصیت دوقطبی هنگامی ایجاد می شود که ولتاژ گیت ها با هم برابر باشند() که در شکل نشان داده شده. برای حل مشکل دوقطبی بودن می توان با اعمال ولتاژ منفی Al برای نوع n و ولتاژ مثبت گیت Al برای نوع p اقدام کرد. دوگیتاین نوع ترانزیستور ها شامل : گیتهای تحتانی و Al Back Gate

15. بررسی مشخصات جریان -ولتاژ ترانزیستور نانولوله کربنی در فناوری نانوجوش فراصوتی اتصال های مطمئن و مستحکمی بین CNTو الکترودهای فلزی بوجود می آید. برای تعیین رفتار الکترواستاتیکی CNTFET نانوجوشی، معادله پواسون اصلاح شده برای قطعه ای با هندسه مسطح استفاده می شود. بنابراین پتانسیل الکترواستاتیک CNTرا می توان با حل معادله پواسون اصلاح شده بدست آورد. سپس جریان درین با استفاده از رابطه Landauerو تقریب WKB محاسبه می شود. در شکل زیر یک CNTFET با هندسه مسطح نشان داده شدهکه نانو لوله مورد نظر با اکسید سیلیسیوم از الکترود گیت جدا شده است. همچنین فرض می شود که ا اختلاف تابع کار الکترود فلزی و نانو لوله صفر باشد. توزیع حامل در نانولوله زیگزاگ(نیمه هادی): چگالی حالات الکترونی برای یک نانو لوله نیمه رسانای زیگزاگ بصورت زیر است: که و به تکینگی های وان هوف معروف هستند و اولین تکینگی وان هوف برابر نصف گاف نواری انرژی نانولوله می باشد. همچنین برای چگالی موثر حالات داریم: بیشینه و کمینه اولین زیر نوار انرژی گاف انرژی نانولوله و

16. بررسی مشخصات جریان -ولتاژ ترانزیستور نانولوله کربنی با توجه به خواص تقارنی نوار رسانش و ظرفیت، چگالی موثر حالت ها در نوار ظرفیت برابر می باشد. بنابراین می توان چگالی حفره ها در نوار ظرفیت را به صورت زیر نوشت: با توجه به شکل قبل : V(0)= L= و ηاستحکام اتصال فلز-CNT در CNTFET را نشان می دهد. و به ترتیب ثابت دی الکتریک و ضخامت لایه اکسید می باشند، L و بترتیب طول و قطر نانولوله است. با عملکرد بالستیک در کانال نانولوله ای، و همچنین استفاده از رابطه Landauer جریان درین به صورت زیر بدست می آید: که در آن ضریب عبور از نوار با دو سد شاتکی در انتهای CNTFET ، در تقریب WKB که شامل مولفه های ترمویونیک و تونلی می باشد. را می توان به صورت زیر تخمین زد:

17. نتیجه گیری CNTها بعنوان جایگزین مناسب برای نیمه هادی ها استفاده از CNTFETها در کاربردهایی مانند: مدارات منطقی، حافظه ها، سنسورهای شیمیایی و مدارت RF امکان مجتمع سازی مدارات در ابعاد نانو

18. پایان