انقلاب گرافن: قسمت 5

در مقاله ای با عنوان ” انتخاب دی الکتریک گیت برای ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن “، کاربردهای شکل نیمه هادی گرافن بررسی شده است. همانطور که قبلاً دیدیم، گرافن تک لایه یک نیمه رسانا نیست، بلکه یک رسانای باند صفر (یک نیمه فلز) است. تلاش‌ها برای معرفی شکاف‌های نواری به گرافن در حال انجام است ، که می‌تواند آن را نیمه‌رسانا با تحرک دمای اتاق مرتبه‌ای بالاتر از سیلیکون کند. مسابقه در حال حاضر برای یافتن برنامه های کاربردی برای چنین ماده ای پس از غلبه بر چالش های فنی باقی مانده در جریان است. یکی از کاربردهای گرافن نیمه رسانا، طراحی نسل بعدی ترانزیستورهای اثر میدان اکسید فلزی نیمه هادی با سوئیچینگ سریع (MOSFET) است.

ماسفت چیست؟

ایده اصلی ماسفت اعمال ولتاژ گیت برای کنترل مقاومت تخلیه به منبع و در نتیجه جریان تخلیه است (تصویر زیر را ببینید). در یک ولتاژ دروازه به منبع خاص (V _GS ) و در ولتاژهای تخلیه به منبع پایین (V _DS )، جریان تخلیه تقریباً به صورت خطی به V _DS وابسته است . هنگامی که V _DS افزایش می یابد، جریان تخلیه اشباع می شود. سطح اشباع به ولتاژ گیت به منبع و زمان سوئیچینگ به تحرک نیمه هادی بستگی دارد. هرچه تحرک مواد نیمه هادی بیشتر باشد، جریان سریعتر می تواند روشن و خاموش شود.

مفهوم ماسفت

فیزیک نیمه هادی ها

فیزیک نیمه هادی ها بسیار پیچیده است. به بیان دقیق، معادله بولتزمن باید با معادلات ماکسول حل شود تا فیزیک دستگاه به طور کامل توصیف شود. از آنجایی که این از نظر محاسباتی غیرقابل حل است، رایج ترین رویکرد برای مدل سازی نیمه هادی ها حل مجموعه ای از معادلات انتشار رانش همراه با معادله پواسون است:

در اینجا n چگالی عددی الکترون ها، p چگالی تعداد حفره ها، V پتانسیل الکترواستاتیک، Rn نرخ نوترکیبی الکترون، R _p نرخ نوترکیبی حفره، J _n جریان الکترون، J _p است _. جریان سوراخ حل این مجموعه از معادلات به شما امکان می دهد مشخصات ولتاژ-جریان دستگاه های نیمه هادی را بسازید. معادلات نیمه رسانا بسیار غیر خطی هستند و برای حل آنها به روش های عددی خاصی نیاز دارند.

ماژول نیمه هادی با نام تجاری جدید ما

همانطور که اخیراً اعلام کردیم، یک محصول اختصاصی برای مدل سازی دستگاه های نیمه هادی اکنون در پلت فرم COMSOL در دسترس است . ماژول نیمه هادی، همانطور که از آن نام برده می شود، امکان تجزیه و تحلیل دقیق عملکرد دستگاه نیمه هادی را در سطح فیزیک بنیادی فراهم می کند. این ماژول بر اساس معادلات رانش – انتشار با مدل های حمل و نقل همدما یا غیر همدما است. دو روش عددی ارائه شده است: روش حجم محدود با رو به بالا بودن Scharfetter-Gummel و روش المان محدود تثبیت شده حداقل مربعات Galerkin. این ماژول یک رابط کاربری آسان برای تجزیه و تحلیل و طراحی دستگاه های نیمه هادی ارائه می دهد که کار شبیه سازی دستگاه را در پلت فرم COMSOL بسیار ساده می کند.

مدل هایی برای مواد نیمه هادی و عایق علاوه بر شرایط مرزی برای کنتاکت های اهمی، کنتاکت های شاتکی و گیت ها به عنوان ویژگی های اختصاصی در ماژول نیمه هادی ارائه شده است. این ماژول شامل قابلیت های پیشرفته برای مدل سازی الکترواستاتیک است. سطح سیستم و شبیه‌سازی دستگاه ترکیبی از طریق یک رابط برای مدارهای الکتریکی با قابلیت واردات SPICE فعال می‌شوند.

ماژول نیمه هادی برای شبیه سازی طیف وسیعی از وسایل کاربردی مفید است. کتابخانه مدل داخلی شامل مجموعه‌ای از مدل‌ها است که برای ارائه دستورالعمل‌های ساده و نشان دادن نحوه استفاده از رابط برای شبیه‌سازی دستگاه‌های خود طراحی شده‌اند. ماژول نیمه هادی به ویژه برای شبیه سازی ترانزیستورها از جمله ترانزیستورهای اثر میدان دوقطبی، نیمه هادی فلزی (MESFETs)، ترانزیستورهای اثر میدانی فلز-اکسید-نیمه هادی (MOSFET)، دیودهای شاتکی و اتصالات PN مرتبط است.

ماژول نیمه هادی COMSOL

بنابراین ماژول نیمه هادی می تواند برای بررسی ویژگی های دستگاه نیمه هادی های مبتنی بر گرافن مشابه مواردی که در مقاله ذکر شده در ابتدای این پست وبلاگ توضیح داده شده است، استفاده شود.

این مجموعه گرافن را به پایان می رساند…

طی چند ماه گذشته، در چهار پست قبلی مجموعه وبلاگمان، مطالب زیادی در مورد تاریخچه، کاربردها و ساخت گرافن خوانده ایم. من از صحبت کردن در مورد این موضوع بسیار لذت برده ام – اما فقط سطح را خراشیده ام. هنوز موضوعات فرعی زیادی وجود دارد که مورد بررسی قرار نگرفته اند، و من شما را تشویق می کنم که با آخرین پیشرفت های مرتبط با گرافن در مجلات و نشریات فنی همراه باشید. چه به کاربردها و چه به ساخت گرافن علاقه مند باشید، COMSOL طیف گسترده ای از محصولات را ارائه می دهد که می تواند بینش و درک بهتری از این فرآیندها ارائه دهد.