اسم الباحث :المهندس خضر بشور

اسم المشرف:د.م مجدالدين العلي +د.م. عيد العبود

العنوان :تحسين أداء ترانزستورات الأثر الحقلي باستخدام الأنابيب النانوية لتطبيقات مختلفة

القسم :هندسة الإلكترونيات والاتصالات

العام :2021

الملخص:تتضمن هذه الأطروحة محاكاةً للأنبوب النانوي ومحاكاةً للترانزستور الحقلي المصنع من الأنابيب النانوية حيث يشكل الأنبوب النانوي فيه القناة الناقلة للشحنات بدلاً من السيليكون.

قمنا بدراسة تأثير دليلي الأنبوب النانوي chirality (n,m) على عدد الذرات وعدد الروابط في الأنبوب النانوي ووجدنا أن العلاقة بينهما هي علاقة خطية، وكذلك قمنا بمحاكاة لكثافة الحالة للأنبوب النانوي و محاكاة بنية الحزمة (bandstructure) له وأظهرنا هذه العلاقة في مختلف أنواع الأنابيب النانوية.

أوجدنا مميزة الخرج والمميزة التبادلية للترانزستور المذكور وقمنا بتغيير مختلف بارامتراته مثل قطر الأنبوب النانوي والمرتبط بدليليه (n,m)، وطول القناة، ونوعية العازل بين البوابة والقناة، وثابت عازليته، وسماكة هذا العازل، والجهود المطبقة على بوابة الترانزستور، ودرجة الحرارة ودرسنا أثر تغيير كل من تلك البارامترات على حدى على أدائه )والمتمثل بتيار الخرج ومتوسط سرعة الشحنات والناقلية التبادلية وتردد القطع وزمن التبديل وتبديد القدرة فيه) وتبين لنا أن لكل بارامتر أثراً على أدائه يتفاوت بين الإيجابي والسلبي وذلك حسب قيمة البارامتر المدروس وحسب التطبيق المطلوب.

لقد توصلنا إلى أن تيار الخرج يزداد بزيادة قطر الأنبوب النانو الكربوني وباختيار عازل البوابة من مادة ذات ثابت عازلية عالٍ وبإنقاص سماكة عازل البوابة وبإنقاص طول القناة، أما بالنسبة لتردد القطع فقد وجدنا أنه عند قطر أنبوب نانوي يساوي  يكون أعلى ما يمكن ويزداد بإنقاص طول القناة وبزيادة سماكة العازل واختيار عازل البوابة من مادة ذات ثابت عازلية صغير، أما زمن التبديل فقد وجدنا أنه عند قطر أنبوب نانو كربوني يساوي  يكون أقل ما يمكن وينخفض زمن التبديل عند طول قناة قصير وعند اختيار عازل البوابة من مادة ذات ثابت عازلية منخفض وبسماكة منخفضة. ثم قمنا باختيار مقادير البارامترات السابقة بحيث نحصل على أفضل أداء له بحيث نتمكن من استثماره بأفضل ما يمكن في مجالي التطبيقات الرقمية والتطبيقات التشابهية.

للحصول على أفضل أداء عند استخدام هذه الترانزستورات في التطبيقات الرقمية، يجب جعل زمن التبديل أقل ما يمكن وتردد القطع أعلى ما يمكن، وللحصول على أفضل أداء عند استخدامه في التطبيقات التشابهية أو الترددات المنخفضة يجب جعل تيار خرجه أعلى ما يمكن.

قمنا باقتراح بارامترات ترانزستور التي تجعل أداءه أفضل لكل مجال من المجالين السابقين وفق نتائجنا السابقة، فبالنسبة للتطبيقات الرقمية اقترحنا أن يكون قطر الأنبوب النانو كربوني  وطول القناة وعازل البوابة من HfO₂ والذي ثابت العازلية له 15 وبسماكة . أما في مجال التطبيقات التشابهية فقد اقترحنا أن يكون قطر الأنبوب النانوي  وطول القناة وعازل البوابة من ZrO₂  والذي ثابت العازلية له 25 وبسماكة .

ودرسنا مدى تحسن أداء هذا الترانزستور في مجال التطبيقات الرقمية بناءً على هذا الاقتراح، ووجدنا أن هناك تحسناً ملحوظاً في الأداء، حيث استطعنا في مجال التطبيقات الرقمية تحسين تردد القطع إلى GHz830 وزمن التبديل إلى 0.18 ps.

وقمنا بدراسة تأثير درجة حرارة العمل على تيار الخرج ووجدنا أن زيادة درجة الحرارة تزيد من تيار الخرج، بالإضافة إلى  دراسة علاقة تبديد القدرة مع قطر الأنبوب النانوي في التطبيقات الرقمية حيث وجدنا أن أقل قيمة لتبديد القدرة تكون عند قطر أنبوب نانوي يساوي  ووجدنا أنه عند سماكة عازل بوابة 1.5  يكون تبديد القدرة كبيراً لذلك تكون القيمة الوسطية التي تحقق تبديد قدرة جيد هي سماكة عازل 5 .

وكذلك أوضحنا العلاقة بين فجوة الطاقة في الأنبوب النانوي وتيار الخرج ووجدنا أن العلاقة بينهما هي علاقة عكسية.

وقدمنا أيضا دراسة عن تأثير قطر الأنبوب النانوي على جهد العتبة V_th، ووجدنا أنه كلما زاد قطر الأنبوب النانوي كلما احتجنا إلى جهد عتبة أقل فعند قطر 1  نحتاج إلى جهد عتبة 0.43 V وعند قطر 10  نحتاج إلى جهد عتبة 0.043 V.

الكلمات المفتاحية: الأنبوب النانوي، الترانزستورات الحقلية ذات الأنابيب النانوية، قطر الأنبوب النانوي، جهد العتبة، فجوة الطاقة، زمن التبديل، تردد القطع.

تحميل البحث :