نانو ترانزیستور های اثر میدان مبتنی بر نانو لوله های کربنی _ گرافنی یا UTS Mosfet

در ساختار نانو ترانزیستور های اثر میدان مبتنی بر نانو لوله های کربنی _ گرافنی با UTS برای بهره بیشتر ، نانو لوله های کربنی به طور کامل درون عایق گیت قرار داده می شود.

قرار دادن گیت در اطراف و در تمام نانو لوله که باعث بهبود عملکرد می شود.ابتدا نانو لوله کربنی که دارای پوشش عایق است روی ویفر قرار داده می شود که اتصال فلزی سورس و درین در دو طرف آن قرار داده می شود، سپس برای مشخص کردن و جدا کردن ناحیه سورس و درین ، si زیر نانو لوله کربنی اضافه میگردد . این زدایش کردن تا رسیدن به عایق بستر ادامه پیدا می کند . سپس با استفاده از موادی که ضریب دی الکتریک بالایی دارند ، عایق بین گیت و سورس و درین ایجاد شده و همچنین فلزی روی این عایق جهت اتصال بهتر فلز گیت به نانو لوله کربنی قرار داده می شود.در ساختار نانو ترانزیستور های اثر میدان مبتنی بر نانو لوله های کربنی _ گرافنی با UTS پروسه ساخت نانو لوله ها باعث شده است که در قطر لوله ها تغییر پذیری وجود داشته باشد که معمولا مقداری بین1 تا2 نانومتر داراست. با تغییر قطر نانو لوله شکاف باند تغییر کرده و در نتیجه ولتاژ آستانه ترانزیستور UTS و جریان ترانزیستور UTS تغییر می کند.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، میدان الکتریکی بزرگتری را می توان با یک ولتاژ کم روی نانو لوله کربنی ایجاد کرد.تمامی نانو ترانزیستور های اثر میدان مبتنی بر نانو لوله های کربنی _ گرافنی با UTS 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.

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.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.در دیاگرام مداری یک نانو ترانزیستور اثر میدان گرافنی Si چند لایه، دو الکترود سورس و درین به صورت مستقیم به نیمه هادی متصل هستند در حالیکه الکترود گیت به صورت خازنی و با استفاده از دی الکتریک گیت به نیمه هادی متصل است.میدان الکتریکی ایجاد شده توسط الکترود گیت جریان ایجاد شده توسط دو الکترود سورس و درین را کنترل میکند. انتقال جریان درین با تغییر چگالی حامل های بار در کانال انتقال دو بعدی مدوله شده است. درنانو ترانزیستور اثر میدان گرافنی Si چند لایه یک کانال انتقال 3 بعدی جریان درین با ضخامت کانال انتقال سه بعدی مدوله شده است.روش های متعدد شیمیایی و فیزیکی برای تولید انواع مختلف نانو گرافن چند لایه مطرح شده است. اساس کار روش های فیزیکی به این صورت است که در این روش ها سعی می کنند، نیرو های بین صفحات گرافنی در گرافیت را از بین ببرند و با جدا کردن آنها به تک لایه های گرافنی یا گرافن اکسید برسند که این همان روش بالا به پایین است. در روش های شیمیایی هم نانو گرافن چند لایه، از کنار هم قرار گرفتن تک تک اتم های کربن ساخته می شود که به این روش ها نیز، روش پایین به بالا گفته می شود.

گرافن که تنها از یک اتم کربن تشکیل شده می تواند برای ایجاد نانو ترانزیستور های 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 نانو اشکال مختلف از این ماده را ایجاد میکنند که دارای گپ متفاوت میباشند . نانو نوارهای گرافنی، گرافن های چند لایه و گرافن رشد داده شده بر روی Si از قبیل این اشکال میباشند. عبارت نانو ترانزیستور از ترکیب  واژه مقیاس نانو در  انتقال و مقاومت به وجود میآید. در یک نانو ترانزیستور اثر میدانی گرافنی Si مقاومت بین دو الکترود میتواند توسط یک الکترود سوم منتقل و یا کنترل شود.در یک نانو ترانزیستور اثر میدانی گرافنی چند لایه Si ، 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 نانو ترانزیستور اثر میدانی گرافنی چند لایه Si به سورس ، درین و گیت متصل میشوند.

به سبب ضخامت بسیار اندک گرافین ، این امکان وجود دارد که طول گیت را در (نانو ترانزیستورهای دو قطبی بالستیک)  اثر میدانی مبتنی بر آن بدون برخورد با مشکلات رایج در نانو ترانزیستورهای سه بعدی، بسیار کاهش داد.

در نانو ترانزیستورهای لوله ای ۳ بعدی جنبش بسیار بالای الکترون در گرافین، نوید داشتن فرکانس آستانه و همچنین تحرک پذیری بیشتر در مدار میباشد. مزیت عمده ادوات ترانزیستور دوقطبی دوبعدی بالستیک در معیار پردازش توان-تاخیر بسیار کوچک و مطلوب آنها است که طبق محاسبات به زیر 10fJ میرسد. غیر از گرافین مواد دیگری نیز با ساختار دوبعدی کشف شده اند که از آن جمله میتوان به  سیلیسن، ژرمنن نیز اشاره کرد. ایده هایی نیز برای ساخت نانو ترانزیستور لوله ای ۳بعدی اثرمیدانی با استفاده فسفورن و گرافن نیز داده شده است . ولی نانو ترانزیستورهای ۲ بعدی بالستیک  اثرمیدانی رایج  که تاکنون ساخته شده اند خیلی کند هستند و زمان کلید زنی آنها از مرتبه چند دهم میلی ثانیه است که کاربرد آنها را به فرکانسهای چند کیلوهرتز محدود میکند.غیر از نانو ترانزیستورهای بالستیک دو قطبی و اثر میدانی متداول، ایده های دیگری نیز برای استفاده از گرافین یا سایر مواد دوبعدی در ساخت ترانزیستور وجود دارد. یکی از این ایده ها، نانو ترانزیستور ۳ بعدی اثرمیدانی تونلی است که سرعت مطلوب تا چند گیگاهرتز، توان مصرفی کم و تغییرات بیشتر جریان درین از مزیتهای این ترانزیستور است. همچنین نانو ادوات دیگری  با ولتاژ گیت در ناحیه زیرآستانه مانند ترانزیستور دو قطبی بالیستیک، و نیز ادوات نوری هم بر پایه گرافین  یا سایر مواد دو بعدی موجود طراحی و ساخته شده است.ترانزیستورهای نانو لوله ای ۳ بعدی لوله هایی هستند که دیواره آن گرافین است. این لوله ها همانطور که در ساختار میتوانند تک دیواره یا چند دیواره باشند. از طرفی بسته به نحوه پیچیدن و آرایش اتمهای کربن در لبه لوله، در سه صورت ( دسته صندلی، زیگراگ و  کایرال لوله ای مانند ) یافت میشوند. این سه شکل نانولوله کربنی خصوصیات بسیار متفاوتی دارند. مثلا  ساختار دسته صندلی رفتار هادی فلزی دارد در حالیکه ساختار کایرال نانو لوله ای رفتار یک نیمه هادی دارد و این عملکرد را با تطبیق کوچک انرژی گاف بانانو لوله های کربنی ۳بعدی هماهنگ میسازد . ویژگیهای الکتریکی و مکانیکی منحصر به فردی نیز به نانو ترانزیستور لوله ای ۳ بعدی  میدهد. مشکل اصلی در به کارگیری نانولوله ها در ساخت نانو ترانزیستور های ۲ بعدی بالستیک عمدتا در آن است که باید به صورت خوابیده روی سطح استفاده شوند تا بتوان به آنها پیوند زد و اتصال فلزی برای حصول رفتار ترانزیستوری برقرار کرد. این در حالی است که نانو لوله های عمودی در تکثیر نانو ترانزیستور های ۲ بعدی بالستیک بیشتر رشد میکنند.  چنانچه فرض شود نانولوله های نیمه هادی و فلزی به دقت دلخواه قابل رشد و جهت دهی روی سطح هستند، امکان فشرده سازی و افزایش سرعت هرچه بیشتر الکترونیک مجتمع را فراهم خواهند کرد.