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Jun 06, 2023

A compreensão do impacto do comprimento de sobreposição otimizado de forma eficiente nos parâmetros de desempenho analógico/RF do GNR

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13872 (2023) Citar este artigo 101 Detalhes das métricas de acesso O objetivo deste estudo é examinar as características de desempenho analógico/RF do grafeno

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13872 (2023) Citar este artigo

101 acessos

Detalhes das métricas

O objetivo deste estudo é examinar as características de desempenho analógico/RF de transistores de efeito de campo (FETs) de nanofitas de grafeno (GNR) usando uma nova técnica chamada engenharia de subposição. O estudo emprega simulações atomísticas autoconsistentes e o formalismo da função de Green de não equilíbrio (NEGF). Inicialmente, o comprimento ideal de sobreposição para o GNR-FET por dispositivo foi determinado avaliando a relação entre corrente ON (ION) e corrente OFF (IOFF), que é um parâmetro crítico para aplicações digitais. Posteriormente, o impacto da engenharia de sobreposição nas métricas de desempenho analógico/RF foi analisado e conduzida uma análise abrangente de compensação considerando parâmetros como ganho intrínseco, eficiência do transistor e frequência de corte do dispositivo. Os resultados demonstram que o dispositivo que incorpora o mecanismo de subposição apresenta desempenho superior em termos de relação ION/IOFF, fator de geração de transcondutância (TGF), resistência de saída (r0), ganho intrínseco (gmr0), produto de frequência de ganho (GFP) e ganho produto de frequência de transferência (GTFP). No entanto, o dispositivo sem o efeito de sobreposição demonstra a maior transcondutância (gm) e frequência de corte (fT). Finalmente, foi realizada uma análise de linearidade para comparar o dispositivo GNR-FET otimizado com o dispositivo GNR-FET convencional sem o efeito de sobreposição.

Nas últimas décadas, houve uma notável diminuição no tamanho dos transistores, passando de micrômetros para nanômetros, impulsionada pela conhecida Lei de Moore1,2. No entanto, à medida que a procura por dispositivos electrónicos avançados continua a aumentar, as limitações de tamanho dos transístores baseados em silício tornaram-se cada vez mais desafiantes e, eventualmente, haverá limites físicos para uma maior miniaturização. O principal obstáculo nesse sentido é a ocorrência de efeitos de canal curto (SCE), como corrente de fuga, oscilação subliminar (SS), abaixamento da barreira induzido pelo dreno (DIBL) e saturação de velocidade, que são consequências da diminuição da distância entre a fonte e o dreno3,4,5. Nos últimos tempos, os pesquisadores têm realizado ativamente pesquisas extensas para explorar novos materiais que possam superar essas limitações. Posteriormente, o grafeno emergiu como um material altamente significativo que atraiu atenção significativa no campo dos dispositivos eletrônicos. Isto se deve principalmente à sua abundante disponibilidade e atributos econômicos, tornando-o uma opção excepcionalmente atraente para diversas aplicações eletrônicas6.

O grafeno, constituído por uma única camada de átomos de carbono, posicionou-se como um material excepcionalmente promissor para futuros dispositivos semicondutores, especialmente em aplicações de alta frequência. Isto é atribuído principalmente às suas propriedades notáveis, incluindo excelente condutividade térmica, alta velocidade de saturação, flexibilidade, resistência mecânica impressionante e mobilidade superior do transportador7,8,9,10,11. Além disso, as excepcionais características de mobilidade do grafeno o tornam um excelente candidato para aplicações flexíveis e de dispositivos de radiofrequência (RF) . Além de suas características vantajosas, em canais relativamente curtos, a falta de intervalos de bandas no grafeno resulta em uma baixa relação ON/OFF de corrente (ION/IOFF). Assim, a nanofita de grafeno (GNR) precisa ser feita para usar o grafeno como dispositivo, e o dispositivo baseado em grafeno é conhecido como transistor de efeito de campo (FET) de nanofita de grafeno (GNR) .

Várias abordagens foram exploradas para melhorar o desempenho elétrico dos FETs baseados em GNR. Esses métodos incluem a utilização de diferentes materiais dielétricos de óxido de porta, dopagem de canal, dimensionamento dimensional, seleção de materiais de porta com funções de trabalho específicas e introdução de defeitos de vacância no canal . . No entanto, ainda há espaço significativo para investigação, particularmente na área de engenharia de comprimento de canal. Estudos anteriores demonstraram que a implementação de uma estrutura de sobreposição de porta pode melhorar a corrente de fuga, a oscilação subliminar (SS) e a relação ON/OFF da corrente26. A introdução de arquiteturas de subposição ajuda a reduzir os efeitos de canal curto (SCEs), ajustando o comprimento efetivo do canal do dispositivo27. Ele também atenua a capacitância marginal28 e o vazamento de drenagem induzido por porta (GIDL)29, resultando em potência de comutação reduzida e melhor adequação para aplicações lógicas. Contudo, a subposição entre a porta e a fonte ou dreno leva a um aumento na resistência do canal, o que diminui a corrente ON e afeta negativamente o desempenho do dispositivo. Para resolver este problema, é preferida uma estrutura de sobreposição assimétrica, onde a sobreposição é aplicada no lado do dreno30. Apesar desses avanços, os métodos existentes para melhorar o desempenho analógico/RF dos FETs permanecem inadequados. Como resultado, estudos recentes concentraram-se em melhorar o desempenho analógico/RF dos GNR-FETs. Isto motiva uma investigação mais aprofundada sobre as características de desempenho analógico e de RF dos GNR-FETs com estruturas de sobreposição. Notavelmente, há uma falta de pesquisas anteriores que examinem o comportamento do desempenho analógico/RF dos GNR-FETs empregando o mecanismo de sobreposição assimétrica.