新型碳基场效应管及其应用电路的研究与设计

发布时间：2020-04-24 06:11

【摘要】：本文运用量子力学模型,通过自洽求解非平衡格林函数与泊松方程,研究异质栅梯度掺杂结构碳基场效应管的电学特性,研究了不同结构碳基场效应管的输运特性。本文结合栅工程和沟道工程两种技术,提出了一种新型碳基纳米器件结构,并考察了栅工程和沟道工程对碳纳米管场效应管(CNTFETs)与石墨烯纳米条带场效应管(GNRFETs)的电学特性的影响。进一步将新型结构器件模型运用到实际电路中,运用Verilog-A语言构建查找表模型,通过SPICE研究了基于异质金属栅梯度掺杂结构器件构建电路的电路特性。本课题可以为今后碳基器件与电路设计提供理论依据。本文研究内容安排如下:(1)研究了异质金属栅梯度掺杂石墨烯纳米条带场效应管(HMG-DG-GNRFET)的电学特性,并结合现有不同的结构器件进行对比分析。经研究可以发现:HMG-DG-GNRFET可以有效减小关态电流,增大了开关电流比,并降低器件亚阈值摆幅。HMG-DG-GNRFET相对于普通结构器件迟滞时间减小,电压增益增大。(2)研究了异质金属栅梯度掺杂纳米碳管场效应管(HMG-DG-CNTFET)的电学特性,并与不同的结构器件进行对比。结果表明:HMG-DG-CNTFET可以有效减小关态电流,增大开关电流比,能够有效地抑制短沟道效应。(3)运用Verilog-A语言构建查找表(LUT)模型,并通过SPICE基于异质金属栅梯度掺杂碳基场效应管器件构建电路,研究了由HMG-DG-GNRFET构建的反相器与存储电路的电学特性。结果表明,基于异质金属栅梯度掺杂结构石墨烯场效应管(HMG-DG-GNRFET)所构建的反向器(H-G-GINV)具有较小的功耗延迟积(PDP),所构建的6T存储器(H-G-GSNAM)具有较小的静态噪声容限(SNM);研究了基于HMG-DG-CNTFET构建的二输入与门和二输入或门逻辑电路的电路特性。结果表明,异质栅梯度掺杂结构的引入不仅不会影响逻辑电路的正确性,同时还能有效降低延迟,功耗以及PDP。
【图文】：

石墨,蜂窝,晶体结构

球棍模型：（a）石墨烯（b）单壁碳纳米管（c）多壁碳纳石墨烯纳米条带构可从石墨材料中剥离而得到的二维晶体[5]，其厚度约为 0墨烯是由碳六元环组成，呈二维（2D）周期蜂窝状点阵蜂窝状晶格[6]中排列而成的单层二维晶体，如图 1 所示。构，使得石墨烯具有独特的电子特性。每个碳原子与其，并通过强大的共价键相互连接，，这是石墨烯具有优异反，不同的石墨烯层之间受范德华力影响[7]，其间距为层在工艺上不难实现。

蜂窝,石墨,晶格,能量值

图 1.3 （a）石墨烯蜂窝晶格。（b）倒易晶格结构。在紧束缚模型中[11]，考虑到费米能级附近存在主要贡献的Zp 电子，因此在二维六方晶格中，紧束缚哈密顿算符可以定义为： ,,,,,,,,,,(.)(.)ijijijijijHtabHctaabbHc其中 a(a) 与 b(b) 分别表示 A,B 子格点上自旋为的电子产生（湮灭）算符[13]。t 2.75eV表示的是最临近原子Zp 轨道间的跳跃能量值， t 表示的是次临近原子轨道间的跳跃能量值，即相同子晶格间跳跃能。对哈密顿定义的薛定谔方程进行求解可算出如下能带关系[12]：E ( k) t3 f(k) t f(k) 其中，k 是二维空间电子波函数的波矢，函数 f 表示如下：)3)cos(3f( k)2cos(3ka)4cos(kakayyx
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386

【参考文献】