نانو ترانزیستور های اثر میدانی(Nano Teransistor Mosfet)مبتنی بر (نانو لوله های کربنی)

تمامی نانو ترانزیستورهای میدانی روی یک ویفر بطور همزمان خاموش و روشن می شوند چون دارای گیت یکسان هستند.ضخامت لایه اکسید زیاد است واز طرفی فرآیند تولید به گونه ای است که سطح تماس نانو لوله کربنی با اکسید گیت کم بوده و برای خاموش روشن کردن قطعه با ولتاژ کم مشکل ایجاد می کند.در ساختار (نانو ترانزیستورهای میدانی) گیت بالایی برای بهره بیشتر ، نانو لوله های کربنی به طور کامل درون عایق گیت قرار داده می شود.بر خلاف ترانزیستور های اثر میدان نانو لوله کربنی گیت پشتی ، می توان تعداد زیادی از این نوع ترانزیستور را روی یک ویفر ساخت ، به دلیل اینکه گیت های هر یک به صورت مجزا می باشد . همچنین با توجه به ضخامت کم دی الکتریک گیت در نانو ترانزیستور میدانی، میدان الکتریکی بزرگتری را می توان با یک ولتاژ کم روی نانو لوله کربنی ایجاد کرد . با وجود روند ساخت پیچیده تر نسبت به ترانزیستور های اثر میدان نانو لوله کربنی گیت پشتی ، مزایا فوق باعث می شوند که این نوع ترجیح داده شوند.

ساختار داخلی نانو ترانزیستورهای اثر میدان مبتنی بر (نانو لوله های کربنی)

نانو لوله های نامنظم ممکن است باعث ایجاد اتصال کوتاه بین خروجی و تغذیه شوند.اتصال بین نانو لوله های کربنی و فلزی که برای اتصال سورس و درین استفاده شده، در یک نانو ترانزیستورهای اثر میدان مبتنی بر (نانو لوله های کربنی) سد شاتکی(SB)را تشکیل میدهد. به وجود آمدن سدهای شاتکی درقسمت سورس و درین یک ترانزیستور باعث کاهش قابل ملاحظه ای در جریان ارسالی درین ترانزیستور میشوند. بنابراین، برای کارایی عملیاتی بالاتر قطعات نانو ترانزیستورهای اثر میدان مبتنی بر (نانو لوله های کربنی) ،فلزهای مناسبی نیاز است که بتوانند در محل اتصال سوری و درین استفاده شده و اتصال اهمی ایجاد کند.

میدان الکتریکی نانو ترانزیستورهای اثر میدان مبتنی بر (نانو لوله های کربنی)

زمانی که میدان الکتریکی به نانو ترانزیستورهای اثر میدان مبتنی بر (نانو لوله های کربنی) اعمال شود ، نانو لوله کربنی که بین سورس_ Source و درین قرار دارد شامل بار متحرک می شود.چگالی این بارها برای سورس است و این چگالی را توسط برای (درین_Drain) احتمال توزیع فرمی دیراک تعیین میشود.قابلیت نانو لوله های کربن برای استفاده در حسگرهای گازی ناشی از تو خالی بودن و بالا بودن سطح تماس آنها است. این سطح تماس متشکل از دیواره خارجی نانو لوله و قسمت های خالی میانی آن می باشد. جذب فیزیک - شیمیایی گازها در نانو لوله ها باعث تغییر رسانش آنها می شود.ظهور آثار کوانتومی با کوچک شدن ابعاد ترانزیستور و ورود به محدوده ی زیر 100 نانومتر، رفتار تک تک اتم ها به تدریج قابل توجه و مهم میشود.با توجه به ابعاد اتم سیلیسیوم که حدود 46/1 آنگستروم (146/0 نانومتر) است و با در نظر گرفتن فاصله ی پیوندهای بین اتمی به این نتیجه میرسیم که هنگامی که در ابعاد زیر 100 نانومتر قرار داریم، تنها با چند ده اتم سیلیسیوم سر و کار داریم. کم شدن تعداد اتم های سیلیسیوم در ترانزیستور موجب میشود که مسئله ی نقص بلوری به یک چالش جدی تبدیل شود. چرا که اندکی نقص بلوری چه ناشی از اتم های سیلیسیوم و چه ناشی از اتم های ناخالصی که به سیلیسیوم افزوده شده، موجب تغییرات بسیار در رفتار الکتریکی ترانزیستور خواهد شد و ترانزیستور را از کاربری مورد نظر خارج میکند.با کوچک کردن تمامی ابعاد افقی و عمودی ترانزیستور، چگالی بار الکتریکی در نواحی گوناگون نانو ترانزیستور افزایش مییابد یا به بیان دیگر تعداد بار الکتریکی در یکای سطح نانو ترانزیستور زیاد میشود. 

این اتفاق دو پیامد منفی دارد: اول با افزایش چگالی بار الکتریکی امکان تخلیه ی بار الکتریکی از نواحی عایق ترانزیستور افزایش  و این اتفاق موجب آسیب رسیدن به ترانزیستور و خرابی آن میشود. این اتفاق مشابه تخلیه ی بار الکتریکی اضافی بین ابر و زمین در پدیده ی آذرخش یا صاعقه است که موجب یونیزه شدن مولکول های هوا به یونهای منفی و مثبت میشود. ثانیا با افزایش چگالی بار الکتریکی، ممکن است الکترونها تحت تاثیر نیروهای رانشی یا ربایشی که هم اکنون مقدار آن افزایش یافته، از محدودهی شعاع یک اتم خارج شوند و به محدوده ی شعاع اتم مجاور وارد شوند. این اتفاق را در فیزیک کوانتوم، تونل زدن میگویند. تونل زدن الکترون از یک اتم به اتم مجاور، پدیده ای است که در ابعاد کوچک بین الکترونها بسیار اتفاق میافتد. این پدیده اساس کار بعضی قطعات الکترونیکی و بعضی نانو سکوپ ها هم میباشد. 

اما در نانو ترانزیستور این پدیده، پدیده ی مفیدی نیست، چرا که تونل زدن الکترون از یک اتم به اتم مجاور ممکن است همچنان ادامه یابد و یک جریان الکتریکی را موجب شود. این جریان الکتریکی اگر چه ممکن است بسیار کوچک باشد اما چون ناخواسته و پیش بینی نشده میباشد، همچون یک مسیر نشتی برای جریان الکتریکی رفتار میکند و موجب تغییر رفتار الکتریکی نانو ترانزیستور میشود.برای تولید و تکثیر نانو ترانزیستورها در دماهای مختلف، مقادیر مختلفی دارد، آن را به صورت تابعی از دما و به شکل (T(λ نشان داده میشود. با شروع از دما های کم و افزایش تدریجی دما، مشاهده میشود که مقدار (T(λ در نزدیکی دمای 011K به یک مقدار بیشینه برابر با 111,3 mK/W میرسد )این بیشینه به شکل یک قله در نمودار دیده میشود( و سپس با افزایش دما، کاهش مییابد.برای تکثیر و تکامل نانو ترانزیستور ها وجود رسانایی حرارتی بالا برای تک نانو لوله های حرارتی به شکل تئوری نشان داده شده است. نتایج حاصل از تجربیات آزمایشگاهی نیز بیانگر وجود این ویژگی در نمونه های توده ای از نانو لوله های کربنی تک دیواره و همچنین برای تک نانولوله های چند دیواره میباشد.رسانایی حرارتی تک نانو لوله های کربنی را با روش های محاسباتی اندازه گیری کرده اند. یک دسته، نانولوله های کربنی تک دیوارهای بودند که به صورت توده ای در کنار هم قرار گرفته بودند و مقدار رسانایی حرارتی مجموعه ی آنها به دست آمد. یک دسته نیز نانو لوله های کربنی چند دیواره بودند که به صورت جدا از هم قرار گرفته بودند. رسانایی حرارتی این دسته از نانو لوله ها به صورت جداگانه بررسی شد. مقدار رسانایی حرارتی بیش از 011 mK/W را برای توده های نانو لوله های کربنی تک دیواره به دست آوردند. همچنین طبق ، مقدار رسانایی حرارتی نانو لوله های کربنی چند دیواره به صورت جداگانه بیشتر از 300 mK/W موجود میباشد.

افزایش تدریجی دما در نانو کربن داخل نانو ترانزیستور (تصویر بالا)

از آنجایی که ساختار نانو لوله های کربنی برای تولید و تکثیر نانو ترانزیستورها در دماهای مختلف، مقادیر مختلفی دارد، آن را به صورت تابعی از دما و به شکل (T(λ نشان داده میشود. با شروع از دما های کم و افزایش تدریجی دما، مشاهده میشود که مقدار (T(λ در نزدیکی دمای 011K به یک مقدار بیشینه برابر با 111,3 mK/W میرسد )این بیشینه به شکل یک قله در نمودار دیده میشود( و سپس با افزایش دما، کاهش مییابد. بیشترین مقدار )T(λ که تاکنون در بررسی ها مشاهده شده است، مربوط به یک نمونه ی نانو لوله ی حرارتی خاص میباشد که در دمای010 K اندازه گیری شده است. این مقدار برابر با 00111 mk/W است. بنابراین مقدار )T(λ نانو لوله ی کربنی در بیشینه اش با بیشترین مقدار )T(λ که تاکنون اندازه گیری شده است، قابل مقایسه است. با توجه به نمودار ارائه شده، حتی در دمای اتاق نیز رسانایی حرارتی نانولوله ی کربنی بسیار بالا و برابر با 0011 mK/W میباشد، در روش های تکثیر نانو ترانزیستورها و نانو لوله ها با سنتز نانولوله های کربنی بر مبنای رسوب شیمیایی کاتالیستی بخار (CCVD ) شامل تجزیه منبع کربنی روی ذرات یا خوشه های کوچک فلزی به عنوان کاتالیست است این روش تکثیر نانو ترانزیستورها شامل فرآیند هتروژن و هموژن می باشد. فلزات مورد استفاده برای این واکنش ها فلزات واسطه هستند، مانند آهن، کبالت، نیکل. در مقایسه با تخلیه قوس الکتریکی و سایش لیزری، نانولوله های کربنی عموما در دمای پایین تری حدود 011 تا 0111 درجه تشکیل می شوند. عموما انتخاب پذیری این روش برای تولید نانولوله های کربنی چند دیواره بیشتر است. هر دو فرآیند هموژن و هتروژن به ماهیت و ساختار کاتالیست مورد استفاده عالوه بر شرایط عملیاتی بسیار حساس هستند. نانولوله های کربنی تولید شده با این روش در مقایسه با روش قوس الکتریکی طول (چند ده تا چند صد میکرومتر) و نقص بیشتری دارند. نقص بیشتر نانولوله ها به دلیل استفاده از دمای کمتر در مقایسه با روش قوس الکتریکی است که اجازه هیچ بازآرایی ساختاری را نمی دهد.