Abstract

There is a need to explore circuit designs in new emerging technologies for their rapid commercialization to extend Moore’s law beyond 22 nm technology node. Carbon nanotube based transistor (CNFET) has significant potential to replace CMOS in the future due to its better electrostatics and higher mobility. This paper presents a complete optimal design of an inverting amplifier in CMOS, CNFET and hybrid technologies. We investigate and conceptually explain the performance measure of the amplifier at 32 nm technology node in terms of operating voltage, number of carbon nanotubes (CNT), diameter and pitch (inter-nanotube distance) variations of carbon nanotubes in a CNFET transistor in pure and hybrid technologies for area, power and performance optimization. This paper also explores the scope, possibilities and challenges associated with pure CNFET and hybrid amplifiers. We have found that pure CNFET amplifier provided good amplification while hybrid pCNFET–nMOS amplifier offered excellent frequency response and pMOS–nCNFET amplifier gave better transient performance compared with planar CMOS

چکیده

طراحی‌های مدارهای الکتریکی در قالب فناوری‌های جدید و نوظهور برای تجاری‌سازی سریع آن‌ها ضروری است تا بر اساس قانون مور (Moore) ساختار فناوری‌های جدید از مرز 22 nm نیز بگذرد. ترانزیستورهای  مبتنی بر نانولوله‌های کربنی (CNFET) دارای قابلیت بالایی به‌عنوان جایگزین CMOS ها در آینده هستند که دلیل این قابلیت، مشخصه‌های الکترواستاتیکی بهتر و موبیلیتی بالاتر آن‌ها است. این مقاله طراحی بهینه و کاملی از یک تقویت‌کننده معکوس کننده را تحت فناوری‌های CMOS، CNFET و فناوری‌های هیبرید ارائه می‌کند. معیار عملکرد تقویت‌کننده طراحی شده تحت فناوری 32 nm از نظر ولتاژ کار، تعداد نانولوله‌های کربنی (CNT)، تغییرات قطر و گام نانولوله‌ها (فاصله میان نانولوله‌ها) در یک ترانزیستور CNFET تحت فناوری‌های خالص و هیبریدی، با هدف بهینه‌سازی عملکرد، توان و سطح مورد استفاده، مورد بررسی قرار گرفته و به صورت مفهومی تشریح می‌گردد. این مقاله همچنین دورنما، قابلیت‌ها و چالش‌های مربوط به تقویت‌کننده‌های هیبریدی و CNFET را نیز مورد بررسی قرار می‌دهد. این مقاله به این نتیجه رسیده است که تقویت‌کننده‌های CNFET ی خالص عملکرد تقویت‌کنندگی خوبی را ارائه می‌دهد در عین حال که  تقویت‌کننده‌های هیبریدی pCNFET–nMOS پاسخ فرکانسی فوق‌العاده‌ای را نتیجه داده، همچنین تقویت‌کننده pCNFET–nMOS عملکرد حالت گذرای بهتری را در مقایسه با CMOS ی مسطح از خود نشان می‌دهد.

1-مقدمه

فناوری CMOS به واسطه وجود چالش‌هایی نظیر اثرات شدید کانال کوتاه، محدودیت‌های لیتوگرافی، تغییرات فرآیند، جریان‌های نشتی و اثر تونل زنی سورس به درین، در حال حاضر با محدودیت‌هایی مواجه شده است. فناوری‌های متعدد و تغییرات ساختار قطعات در مقالات عنوان شده‌اند نظیر FET های چند گیتی و یا تک بدنه‌ای فوق نازک، FinFETs، MOSFET های آستانه دینامیکی، FET های SOI، و سیلیکون‌های کششی و غیره، که هدف آن‌ها بهبود مشخصه‌های الکترواستاتیکی نسبت به فناوری‌های CMOS است. امروزه به‌منظور حفظ قانون مور و تضمین افزایش بیشتر عملکردهای FET، لازم است که به دنبال گزینه‌هایی نظیر CNFET که عملکرد بهتری را در مقایسه با MOSFET ها ارائه می‌دهند، باشیم. فناوری CNFET را می‌توان به سادگی به همراه فناوری CMOS ی مجتمع روی یک چیپ واحد به کار برده و از زیرساخت یکسان برای آن استفاده کرد. این قطعات به‌عنوان قطعاتی قابل‌اعتماد معرفی می‌شوند که دلیل آن کمتر بودن توان نشتی با مقیاس بندی پیوسته است. از آنجایی که در فناوری  CNFET، SiO₂ ی اطراف نانولوله‌های کربنی که تنها مسیر عبور جریان است، باعث عبور جریان می‌شود، رفتاری مشابه با FET های بدنه فوق نازک در آن مشاهده می‌گردد. علاوه بر این، خازن گیت بزرگ، کنترل گیت فوق‌العاده‌ای را برای کانال با استفاده از دی‌الکتریک‌های دارای k ی بالا نظیر HfO₂  برای ایزوله سازی گیت فراهم می‌کند (در عمل ضخامت 3 nm)، از این رو، سبب کاهش اثرات کانال کوتاه به خاطر کوپلینگ خازنی بیشتر می‌گردد...