نانو ترانزیستور های اثر میدانی bulk MOSFET (ضخامت کم دی الکتریک گیت در نانو ترانزیستور)

در ساختار نانو ترانزیستور های اثر میدان مبتنی بر نانو لوله های کربنی _ گرافنی با bulk MOSFET 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 نانو ترانزیستور لوله ای 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 . 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.در ساختار نانو ترانزیستور های اثر میدان مبتنی بر نانو لوله های کربنی _ گرافنی با bulk MOSFET تمامی نانو ترانزیستور های روی یک ویفر به طور 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.

برای تولید نانو ترانزیستور و نانو چیپ ها یکی از مزایای این روش ها، سهولت تغییر پارامتر های فرآیند و دستیابی به شرایط بهینه تولید نانو لوله های کربنی می باشد. یک چالش عمده در ساخت نانو ترانزیستور های اثر میدان مبتنی بر نانو لوله های کربنی _ گرافنی با bulk MOSFET ، ناخالصی های موجود در محصولات است. 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 های کربنی _ گرافنی با bulk MOSFET قرار داده می شود.

هر چند در روش "خود تغذیه کننده داخلی" با ایجاد فیدبک منفی تا حدودی موجب پایداری بایاس تقسیم کننده( Bias Divider Voltage ) در کار ترانزیستور اثر میدانی nMOs میشود.

اما اگر بخواهیم مدار پایداری بیشترین نقطه را داشته باشد، از مداری مطابق بایاس تقسیم کننده( Bias Divider Voltage ) استفاده  میکنیم. در این مدار به طور همزمان از بایاس تقسیم ولتاژ ترانزیستور اثر میدانی nMOs  و مدار خود تغذیه (مقاومت داخلی) استفاده شده است. به همین دلیل به این تغذیه، تغذیه مرکب نیز میگویند.با توجه به اینکه ازگیت ترانزیستور جریانی نمیگذرد، ولتاژ گیت برابر افت پتانسیل در دو سر سورس و درین در ترانزیستور اثر میدانی nMOs است به عبارت دیگر ولتاژ در گیت بین سورس و درین تقسیم میشود و پتانسیل الکتریکی در سورس و درین به دست میآید. چون این ولتاژ مثبت است،برای این که ولتاژ گیت در ترانزیستور اثر میدانی nMOs منفی شود باید پتانسیل سورس بیشتر از درین باشد تا پیوند گیت سورس در بایاس مخالف قرار گیرد.ولتاژ مقاومتی با استفاده از منحنی انتقالی مانند تحلیل ترسیمی بایاس سرخود، در مشخصه کار را از طریق ولتاژ مقاومتی نیز میتوان نقطه بایاس تقسیم کننده انتقالی به دست آورد. در این رسم خط بار روی منحنی مشخصه در ترانزیستور اثر میدانی nMOs  صفر نیست زیرا مقاومت های نوع بایاس در نقطه ولتاژ افت پتانسیلی در گیت ایجاد مینمایند. لذا در تقسیم کننده عبور این مدار خط بار DC از مبدا مختصات یعنی از یک نقطه در حلقه خط بار ولتاژ DC  در ساختمان ترانزیستور در ترانزیستور اثر میدانی nMOs  ورودی به مدار  نمیکند.برای ایجاد یک نقطه کار مناسب، باید در ترانزیستور اثر میدانی nMOs را نیز مانند در ترانزیستور اثر میدانی nMOs بایاس کنیم. روش های بایاس در ترانزیستور اثر میدانی nMOs با روشهای بایاس BJT تفاوت اساسی ندارند؛ فقط باید توجه داشت که چون مقاومت ورودی در ترانزیستور اثر میدانی nMOs  خیلی زیاد است، جریان بسیار کمی (حدود چند نانو آمپر یا پیکو آمپر) از گیت عبور میکند که میتوان از آن صرفنظر کرد. در محاسبات در ترانزیستور اثر میدانی nMOs را مساوی صفر میگیرند. این موضوع محاسبات را ساده تر میکند.ساده ترین روش بایاس کردن در ترانزیستور اثر میدانی nMOs  استفاده از دو منبع ولتاژ جداگانه است که برای (درین و گیت) به کار میرود. این روش را بایاس تامین ولتاژهای تغذیه ثابت مینامند.

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.