بهبود عملکرد ترانزیستور تونل زنی عمودی مبتنی بر ژرمانیوم با به‌کارگیری GaAs به عنوان کانال

نوع مقاله : مقاله برق

نویسندگان

1 استادیار، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی همدان، همدان، ایران

2 دانشجو، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی همدان، همدان، ایران

3 استادیار، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه بوعلی سینا، همدن، ایران

چکیده

در این مقاله‏ ترانزیستور تونل‌زنی عمودی مبتنی بر ژرمانیوم بررسی شده است. ویژگی های الکتریکی ترانزیستور در دو حالت استفاده از ژرمانیوم و همچنین استفاده از گالیوم آرسناید به عنوان کانال مقایسه شده و شبیه سازی آن توسط نرم‌افزار سیلواکو و با استفاده از مدل تونل زنی غیر محلی انجام شده است. نتایج نشان می‌دهد که جریان روشنایی بیشتر، جریان خاموشی کمتر و جریان دوقطبی درین کمتر در ولتاژ گیت منفی از مزایای استفاده از گالیوم آرسناید به جای ژرمانیوم به عنوان کانال است. در ادامه، پارامترهای کانال تغییر داده شده‌اند و اثر تغییر آن‌ها بر روی رفتار ترانزیستور مطالعه شده است. افزایش طول کانال باعث کاهش جریان خاموشی و افزایش نسبت جریان روشنایی به خاموشی شده و همچنین باعث کاهش شیب زیرآستانه می شود. از طرف دیگر، افزایش عرض کانال، باعث کاهش نسبت جریان روشنایی به خاموشی و افزایش شیب زیرآستانه می‌شود. نسبت جریان روشنایی به خاموشی با افزایش طول کانال و کاهش عرض کانال افزایش می یابد و این نسبت می‌تواند تا 15+10×1/5 افزایش پیدا کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Improving Performance of Germanium-Based Vertical Tunneling Field Effect Transistor Using GaAs as Channel

نویسندگان [English]

  • Shoaib Babaei tooski 1
  • Mohammad Javad Rezaei 2
  • Seyed Manoochehr Hoseini 3
1 Department of Electrical Engineering, Hamedan University of Technology, Hamedan, Iran
2 . Department of Electrical Engineering, Hamedan University of Technology, Hamedan, Iran
3 Department of Electrical Engineering, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran.
چکیده [English]

In this paper, Germanium-based vertical tunneling transistors are investigated and the electrical properties of the transistor in two modes of Germanium utilization as well as Gallium Arsenide as the channel are compared. The simulation of this transistor was performed by Silvaco software using non-local tunneling model. The results show that more ON-current, less OFF-current and less bipolar current at negative gate voltage are the advantages of using Gallium Arsenide instead of Germanium as the channel. In the following, the channel parameters are changed and the effect of their change on the behavior of the transistor is studied. Increasing the channel length reduces the Off-current and increases the On-current to Off-current ratio, as well as reducing the sub-threshold slope. On the other hand, increasing the channel width reduces On-current to Off-current ratio and increases the sub-threshold slope. The On-current to Off-current ratio increases with increasing channel length and decreasing channel width, and increases to 1.5 × 10 + 15.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Vertical Transistor
  • Tunneling
  • Silvaco
  • Germanium
  • Gallium Arsenide. on current
[1] Yan, R.-H., A. Ourmazd, and K.F. Lee, "Scaling the Si MOSFET: From bulk to SOI to bulk." IEEE transactions on electron devices, 39. no. 7. (1992): 1704-1710.
[2] Nakamura, K., et al., "All 2D heterostructure tunnel field-effect transistors: impact of band alignment and heterointerface quality". ACS Applied Materials & Interfaces, 12. no. 46 (2020): 51598-51606.
[3] Najam, F. and Y.S. Yu, "Impact of quantum confinement on band-to-band tunneling of line-tunneling type L-shaped tunnel field-effect transistor." IEEE Transactions on Electron Devices, 66. no. 4 (2019): 2010-2016.
[4] Gayduchenko, I., et al., "Tunnel field-effect transistors for sensitive terahertz detection". Nature communications, 12. no.1 (2021): 543.
[5] Pang, C.-S., S.-J. Han, and Z. Chen, "Steep slope carbon nanotube tunneling field-effect transistor". Carbon, 180. (2021): 237-243.
]6 [عبدی تهنه، بهروز، و علی نادری. "ساختار جدید ترانزیستور اثر میدانی نانو لوله کربنی تونل زنی با دوپینگ خطی در ناحیه درین: شبیه‌سازی عددی کوانتومی." مدل سازی در مهندسی، 16، 52 (2018): 109-117
]7 [نادری، علی، و مریم قدرتی. "بهبود عملکرد ترانزیستور اثر میدانی نانولوله کربنی تونل‌زنی در حضور ناهمپوشانی." مدل سازی در مهندسی، 17، 59 (2019) 215-224
]8 [اروجی، علی اصغر ، اکرم عنبر حیدری و زینب رمضانی. "ترانزیستور اثر میدان فلز-نیمه هادی با ناحیه بدون ناخالصی در طرف درین برای اصلاح چگالی حامل ها و کاربردهای توان بالا." مدل سازی در مهندسی، 13، 43 (2015) : 127-121
]9 [افضلی، سید سعید ، علی اصغر اروجی، و زینب رمضانی. "ترانزیستور ماسفت سه‌گیتی با استفاده از دیود تونل‌زنی سیلیسیم-ژرمانیم برای بهبود اثر بدنه شناور." مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، 48، 3، (2018): 985-990
]10 [بشیری، نگار، و رضا حسینی، "طراحی و تحلیل یک ترانزیستور اثرمیدانی تونلی بدون پیوند دو گیتی با ساختار گیت چند ماده ای." نشریه مهندسی برق و الکترونیک ایران، 18، 4، (2021): 71-77
]11[سجادی، سیده محجوبه، و سعید محمدی، "اثر تله های موجود در شکاف باند انرژی بر روی جریان درین در ترانزیستورهای اثر میدان تونلی." مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، 50، 4، (2021) ، 1639-1645
[12] Kim, S., et al., "Thickness-controlled black phosphorus tunnel field-effect transistor for low-power switches". Nature nanotechnology, 15. no. 3 (2020): 203-206.
[13] Seabaugh, A.C. and Q. Zhang, "Low-voltage tunnel transistors for beyond CMOS logic." Proceedings of the IEEE, 98. no. 12 (2010): 2095-2110.
[14] Krishnamohan, T., et al. "Double-Gate Strained-Ge Heterostructure Tunneling FET (TFET) With record high drive currents and 60mV/dec subthreshold slope." 2008 IEEE International Electron Devices Meeting. IEEE. (2008) pp. 1–3.
[15] Wang, P.-F., et al., "Complementary tunneling transistor for low power application." Solid-State Electronics, 48. no. 12 (2004): 2281-2286.
[16] Boucart, K. and A.M. Ionescu, "Double-gate tunnel FET with high-$\kappa $ gate dielectric." IEEE transactions on electron devices, 54. no. 7 (2007): 1725-1733.
[17] Bhuwalka, K.K., J. Schulze, and I. Eisele, "A simulation approach to optimize the electrical parameters of a vertical tunnel FET." IEEE transactions on electron devices, 52. no. 7 (2005): 1541-1547.
[18] Verhulst, A.S., et al., "Complementary silicon-based heterostructure tunnel-FETs with high tunnel rates". IEEE electron device letters, 29. no. 12 (2008): 1398-1401.
[19] Krishnamohan, T., et al., "High-mobility low band-to-band-tunneling strained-germanium double-gate heterostructure FETs: Simulations." IEEE Transactions on Electron Devices,. 53. no. 5 (2006): 1000-1009.
[20] Singh, S. and B. Raj, "Analytical and compact modeling analysis of a SiGe hetero-material vertical L-shaped TFET." Silicon, 14. no. 5 (2022): 2135-2145.
[21] Yu, J., et al., "Investigation on ambipolar current suppression using a stacked gate in an L-shaped tunnel field-effect transistor". Micromachines, 10. no. 11 (2019): 753.
[22] Abdi, D.B. and M.J. Kumar, "Controlling ambipolar current in tunneling FETs using overlapping gate-on-drain". IEEE Journal of the Electron Devices Society, 2. no. 6 (2014): 187-190.
[23] Kumar, S., et al., "Ambipolarity suppressed dual-material double-source T-shaped tunnel field-effect transistor." Silicon, 13 (2021): 2065-2070.
[24] Kim, J.S., et al., "High-performance Ge/GaAs heterojunction tunneling FET with a channel engineering for sub-0.5 V operation. Semiconductor Science and Technology," 30. no. 3 (2015): 035020.
[25] Rajan, C., D. Sharma, and D.P. Samajdar, "Implementation of physical unclonable functions using hetero junction based GAA TFET." Superlattices and microstructures, 126 (2019): 72-82.
[26] Juyal, R. and S.S. Chauhan. "TCAD simulation of Ge-GaAs hetrojunction dopingless tunnel field effect transistor." 2016 International Conference on Communication and Signal Processing (ICCSP). IEEE (2016): 1434–1437.
[27] Mech, B.C., K. Koley, and J. Kumar, "Ge–GaAs–Ge heterojunction MOSFETs for mixed-signal applications." IEEE Transactions on Electron Devices, 67. no. 9 (2020): 3585-3591.
[28] Jawad, M.F., T. Rahman, and J.K. Saha. "Performance enhancement of ge/gaas heterostructure tunnelling field effect transistor." 2020 IEEE 10th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties (NAP). IEEE (202): 01TPNS02-1.
[29] Yoon, Y.J., et al., "Sub-10 nm Ge/GaAs heterojunction-based tunneling field-effect transistor with vertical tunneling operation for ultra-low-power applications." JSTS: Journal of Semiconductor Technology and Science, 16. no. 2 (2016): 172-178.