Analytical Modelling of Breakdown Effect in Graphene Nanoribbon Field Effect Transistor

این کتاب رویکردهای تحلیلی و مدل‌سازی اثرات ولتاژ شکست (BV) روی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن را مورد بحث قرار می‌دهد. این مدل‌های نیمه تحلیلی را برای میدان الکتریکی جانبی، طول ناحیه اشباع سرعت (LVSR)، ضریب یونیزاسیون (α) و ولتاژ شکست (BV) ترانزیستورهای اثر میدان نانوروبان گرافن تک و دو دروازه (GNRFETs) ارائه می‌کند. استفاده از قانون گاوس در مناطق زهکشی و منبع به منظور استخراج معادلات پتانسیل سطحی و میدان الکتریکی جانبی مورد استفاده قرار می گیرد. سپس LVSR به عنوان محلول پتانسیل سطح در شرایط اشباع محاسبه می شود. ضریب یونیزاسیون با استخراج معادلات احتمال برخورد در حالت‌های بالستیک و رانش بر اساس تئوری رانش خوش شانس یونیزاسیون مدل‌سازی و محاسبه می‌شود. انرژی آستانه یونیزاسیون با استفاده از شبیه سازی محاسبه می شود و یک معادله تجربی به صورت نیمه تحلیلی به دست می آید. در نهایت از شرایط شکست بهمن برای محاسبه BV جانبی استفاده می شود. بر این اساس، مدل های تحلیلی و نیمه تحلیلی ساده برای LVSR و BV پیشنهاد شده است که می تواند در طراحی و بهینه سازی دستگاه ها و حسگرهای نیمه هادی استفاده شود. معادلات پیشنهادی برای بررسی BV در طول کانال‌های مختلف، ولتاژ تغذیه، ضخامت اکسید، عرض GNR و ولتاژ گیت استفاده می‌شود. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که ولتاژ عملیاتی FET ها می تواند تا 0.25 ولت باشد تا از خرابی جلوگیری شود. با این حال، پس از بهینه سازی، می تواند تا 1.5 ولت افزایش یابد. این کار برای محققانی که در زمینه ترانزیستورهای مبتنی بر نانوروبان گرافن کار می کنند مفید است.

This book discusses analytical approaches and modeling of the breakdown voltage (BV) effects on graphene-based transistors. It presents semi-analytical models for lateral electric field, length of velocity saturation region (LVSR), ionization coefficient (α), and breakdown voltage (BV) of single and double-gate graphene nanoribbon field effect transistors (GNRFETs). The application of Gauss’s law at drain and source regions is employed in order to derive surface potential and lateral electric field equations. LVSR is then calculated as a solution of surface potential at saturation condition. The ionization coefficient is modelled and calculated by deriving equations for probability of collisions in ballistic and drift modes based on the lucky drift theory of ionization. The threshold energy of ionization is computed using simulation and an empirical equation is derived semi-analytically. Lastly avalanche breakdown condition is employed to calculate the lateral BV. On the basis of this, simple analytical and semi-analytical models are proposed for the LVSR and BV, which could be used in the design and optimization of semiconductor devices and sensors. The proposed equations are used to examine BV at different channel lengths, supply voltages, oxide thickness, GNR widths, and gate voltages. Simulation results show that the operating voltage of FETs could be as low as 0.25 V in order to prevent breakdown. However, after optimization, it can go as high as 1.5 V. This work is useful for researchers working in the area of graphene nanoribbon-based transistors.