(نانو ترانزیستور های nMOS و ترانزیستور های pMOS)_(نانو ترانزیستور های اثر میدانی) Nano transistor کمیت الکترونیکی و پتانسیل یونیزاسیون

در ساختار (نانو ترانزیستور ها) Nano transistor کمیت الکترونیکی که راحت تر در دسترس می باشد ، پتانسیل یونیزاسیون است  و در   پتانسیل یونیزاسیون در اندازه دانه های کوچک نانو ساختار (ذرات ریزتر) بیشتر است یعنی با افزایش اندازه ذرات پتانسیل یونیزاسیون آنها کاهش می یابد.

افزایش نسبت سطح به حجم وتغیرات در هندسه وساختار الکترونیکی تاثیر شدیدی روی فعل وانفعالات شیمیایی ماده می گذارد و برای مثال فعالیت ذرات کوچک با تغییر در تعداد اتم ها (و در نتیجه اندازه ذرات) تغییر می کند.بر خلاف نانو ترانزیستور های امروزی که بر پایه حرکت توده ای از الکترونها در ماده رفتار میکنند وسیله های جدید از پدیده های مکانیک کوانتومی در مقیاس نانو پیروی میکنند که دیگر طبیعت گسسته الکترون در آن قابل چشم پوشی نیست .با کوچک کردن تمامی ابعاد افقی و عمودی ترانزیستور، چگالی بار الکتریکی در نواحی گوناگون نانو ترانزیستور افزایش می یابد 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.کوچک کردن ترانزیستور ها و ورود به ابعاد زیر 100 نانو متر در محدوده ی عملکرد فناوری نانو الکترونیک اگر چه مزایای بسیاری دارد اما با چالش های گوناگونی روبرو است.طراحی، ساخت، توسعه و استفاده از محصولاتی که اندازه آن ها دربازه nm 1تا nm 100 قرار دارند را نانو الکترونیک گویند. در حقیقت اینجا صحبت از ریز شدن است که این کار تماس بیشتر، فعالیت بیشتر و افزایش مساحت را ممکن می سازد. نانو یک مقیاس جدید در فناوری ها و یک رویکرد جدید در تمام رشته ها است و این توانایی را به بشر می دهد تا دخالت خود را در ساختار مواد گسترش دهد و در ابعاد بسیار ریز به طراحی و ساخت دست بزند و در تمام فن آوری هایی که بشر در حال حاضر به آن دست یافته، اثر بگذارد. و این روند در تولید نانو ترانزیستور ها Nano transistor مورد توجه قرار گرفته است.

ترانزیستور تونل اثر میدانی nMOS یک نوع تجربی ترانزیستور می باشد. حتی اگر ساختار آن بسیار شبیه به یک ترانزیستور تاثیر میدان نیمه هادی فلزی- اکسید nMOS باشد ، مکانیسم اساسی تعویض در این دو ترانزیستور  با یکدیگر فرق می کند ،nMOS ها به جای تعدیل انتشار تیرمونیک بر روی یک سد ، مانند nMOS های سنتی ، با تعدیل تونل کوانتومی از طریق یک سد تغییر می کنند.ترانزیستور تونلینگ اثر میدانی nMOS، به عنوان یک جایگزین برای CMOS معمولی به وسیله ی فعال کردن منبع تغذیه ولتاژ (VDD) با مصرف توانی فوق العاده کم، محاسبات کارآمد انرژی، در طی دامنه ی زیر- حد آستانه ی (sub-threshold slope: SS) به وجود آمد. آن نوع دستگاه، یک ساختار بایاس معکوس گیت دار است که معمولا به آن ترانزیستور اثر میدانی تونلی nMOS می گویند. برای کاربردهای توان پایین، nMOS مورد توجه قرار گرفته است. این افزاره نسبت به MOSFET ، جریان نشت استاتیک کمتری دارد و در مقابل SCEs مقاوم تر است.

برجسته ترین ویژگی nMOS ها ، ظرفیت تولید یک سویینگ آستانه فرعی معکوس (SS) کمتر از mV60/decade حد گرمایی (در 300 کلوین) مربوط به nMOS های حالت معکوس متداول می باشد. ss شبه حرارتی، قابل حصول است، زیرا جریان درین در nMOS ها بوسیله تزریق حامل از سورس به کانال تولید می شود که این غالبا تحت شعاع تونل زنی باند به باند مکانیک کوانتوم (BTBT) قرار می گیرد.

سرعت ترانزیستور nMOS متناسب با جریان است. هرچه جریان بیشتر باشد ، ترانزیستور سریعتر قادر به میزان تقویت و شارژ (فشار خازنی متوالی) خواهد بود. برای یک سرعت ترانزیستور معین و حداکثر نشت زیر آستانه قابل قبول ، شیب زیر آستانه بنابراین یک ولتاژ آستانه حداقل را مشخص می کند. کاهش ولتاژ آستانه یک بخش اساسی برای ایده گذاری برای مقیاس گذاری میزان ثابت nMOS میباشد. برای غلبه بر برخی چالش های مرتبط با ساختار nMOS جانبی، مانند نیاز خود را به پروفایل های دوپینگ فوق العاده تیز؛ با این وجود ، چنین وسایلی به دلیل وجود میدانهای بزرگ عمودی در ساختار ترانزیستور nMOS ، ممکن است دچار نشت دروازه شوند.

این قطعه الکترونیکی یک ترانزیستور دو قطبی است که در ورودی آن ها از Mosfet استفاده شده است و در واقع ترکیبی از ترانزیستور های دو قطبی (pMOS) و (Mosfet) می باشد و با ترکیب مزایای آن دو یک المان برق صنعتی با سرعت سوئیچ بالا و جریان ورودی کم خلق شده است. ترانزیستور های دو قطبی (pMOS) قادرند که به مراتب سریعتر قطع و وصل کنند لیکن تلفات هدایت آنها بیشتر است .ترانزیستور های دو قطبی (pMOS) یک ترانزیستوری است که مزایایBGT و  MOSFET را با هم دارد مثل : امپدانس ورودی بالا مثل MOSFET که باعث می شود که با انرژی کمی به حالت وصل سوئیچ می گردد.(افت ولتاژ و تلفات کم مانندBJT ) نظیر BJT ها دارای ولتاژ حالت روشن (وصل )کوچکی است به عنوان مثال در وسیله ی با مقدار نامی 1000V ولتاژ حالت وصل (Von ) در حدود 2 الی 3 ولت است.اسامی پایه ها هم از روی همان اسامی قبلی انتخاب شده G از MOSFET و E , C از ترانزیستور هایBJT.در نتیجه با این ترکیب ساده شما المانی را استفاده میکنید که دارای امپدانس بالای گیت و قابلیت تحمل ولتاژ بالا است.سرعت سوییچ کردن این نوع دارای محدودیت بوده بطور نمونه KHz 1 الی 50KHz که در کل بین دو نوع BJT و MOSFET قرار میگیرد. وبه خاطر امپدانس ورودی بسیار بالایی که دارد بسیار حساس می باشد و بیشتر در کوره های القایی برای تقویت دامنه ولتاژ استفاده می شود، و در کل مورد استفاده این نوع از ترانزیستور های دو قطبی (pMOS) بیشتر برای راه اندازی المانهای توان بالا می باشد.مهمترین و تقریبا تنها کارایی ترانزیستور های دو قطبی (pMOS) سوئیچینگ جریانهای بالا می باشد. (pMOS) ترانزیستور سریعی در عملکرد است زمان قطع و وصل در آن در حدود 1 میکرو ثانیه می باشد. چون که زمان بازیابی در این ترانزیستور خیلی کم است در نتیجه این ترانزیستور در فرکانس های بالا عملکرد مناسبی دارد.(pMOS) جز نیمه هادی  قدرت بوده و در درجه اول به عنوان یک سوئیچ الکترونیکی استفاده می شود که در دستگاه های جدید برای بازده بالا و سوئیچینگ سریع استفاده میشود. این سوئیچ برق در بسیاری از لوازم مدرن از جمله خودرو های برقی، قطار، یخچال ها، تردمیل، دستگاه های تهویه مطبوع و حتی سیستم های استریو و تقویت کننده ها استفاده میشود. همچنین در ساخت انواع اینورتر ها،ترانس های جوش و UPS کاربرد دارد.

عبارت گرافن ترانزیستور nMOS از ترکیب  واژه گرافن و ترانزیستورnMOS در  انتقال و مقاومت به وجود میآید.

در یک ترانزیستورnMOS اثر میدانی گرافنی  مقاومت بین دو الکترود میتواند توسط یک الکترود سوم منتقل و یا کنترل شود.در یک نانو ترانزیستورnMOS اثر میدانی گرافنی چند لایه  ، جریان بین دو الکترود توسط میدان الکتریکی از الکترود سوم کنترل میشود. بر عکس ترانزیستور دو قطبی،در الکترود سوم به لحاظ خازنی متصل میشود و در تماس با نیمه هادی نیست. سه الکترود در ساختار  ترانزیستور nMOS اثر میدانی گرافنی چند لایه از گرافن به سورس ، درین و گیت متصل میشوند  و این عمل سبب افزایش و سرعت بالای سوئیچینگ (دوپینگ) در  مدار ترانزیستور گرافنی nMOS میگردد.

گرافن در ترانزیستورnMOS اثر میدانی یک هادی الکتریکی عالی است ، همچنین دارای خواص اسپینترونیک بینظیر است.شبکه کربن فوق العاده نازک قادر به انتقال الکترون با چرخش هماهنگ در مسافت های طولانی تر و چرخش برای مدت زمان طولانی تری از هر ماده شناخته شده دیگر در دمای اتاق است.اگر چه فاصله هنوز در مقیاس چند میکرومتر است و زمان هنوز در نانو ثانیه اندازه گیری می شود ، اما در اصل این امکان را برای امکان استفاده از چرخش در اجزای میکروالکترونیک باز می کند.

سرعت بالای سوئیچینگ (دوپینگ) در  مدار ترانزیستور nMOS گرافنی Graphen transistor فقط به این دلیل امکان پذیر است که بتواند دوپینگ p- و n (مثبت و منفی) کند و دوپینگ گرافن یک پارامتر اصلی در توسعه ترانزیستورnMOS گرافنی Graphen transistor است.  ولتاژ بایاس در گرافن ترانزیستورها به گونه ای اعمال می شود که همیشه در منطقه "فعال" خود کار کند ، یعنی قسمت خطی منحنی یا فعال برای ویژگی های خروجی استفاده شود.گرافن که تنها از یک اتم کربن تشکیل شده می تواند برای ایجاد  ترانزیستورهای اثر میدانی گرافنی چند لایه که انرژی کمتری مصرف کرده و فضای کمی اشغال می کنند به کار رود.گرافن یک ماده نیمه رسانا با گپ صفر و غیر مناسب برای مدارهای منطقی میباشد اما با استفاده از فناوری اشکال مختلف از این ماده را ایجاد میکنند که دارای گپ متفاوت میباشند . نوارهای گرافنی، گرافن های چند لایه و گرافن رشد داده شده بر روی لایه های مختلف ترانزیستور از قبیل این اشکال میباشند.