Slide 1

‫سمینار درس کوانتوم‬
‫الکترونیک‬
‫موضوع ‪:‬‬

‫بررسی ترانزیستورهای‬
‫مبتنی بر گرافن‬
‫‪1‬‬

‫پروفسور‬
‫استاد ‪:‬‬
‫شهرام محمدنژاد‬
‫دی ‪1392‬‬


Slide 2

‫بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬

‫تاریخچه‬
‫ساختار گرافن و خواص‬
‫آن‬

‫روش های رشد‬

‫نمونه هایی از‬
‫ترانزیستورهای مبتنی‬
‫بر گرافن‬

‫‪2‬‬


Slide 3

‫بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬

‫تاریخچه‬
‫• معدن گرافیت در قرن ‪ 16‬در منطقه ای در انگلیس‬
‫کشف شد و سنگ معدنی گرافیت از آن استخراج شد‪.‬‬
‫• در قرن ‪ 17‬برای ساختن گلوله اسلحه به کار میرفت‪.‬‬
‫• در قرن ‪ 18‬برای ساختن مداد و بعد از آن در الستیک‬
‫سازی و مصالح ساختمانی نسوز در آن استفاده شد‪.‬‬

‫‪3‬‬


Slide 4

‫بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬

‫تاریخچه‬

‫نخستین بار در سال ‪ 1947‬فیلیپ واالس مقاله ای در رابطه با گرافن نوشت‪.‬‬
‫قضییه ای بییه نییای مییرمین‪-‬واگنیر در ماانیییک آمییاری و نمر ییه میییدان‬
‫های کوانتومی وجود داشت که ساخت یک ماده دوبعدی را غیر‬
‫ممکن و چنین ماده ای را ناپایدار می دانست‬

‫‪4‬‬


Slide 5

‫بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬

‫آندره گیم‬

‫‪5‬‬

‫کنستانتین نووسلف‬

‫در سال ‪۲۰۰۴‬کنستانتین نووسلف و آندره گیم‪ ،‬از دانشگاه‬
‫منچستر موفق به ساخت این ماده شده و نشان دادند که قضیه‬
‫ا‬
‫ی مرمین‪-‬واگنر نمیتواند کامل درست باشد‪.‬‬

‫‪2010‬‬


Slide 6

‫بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬

‫در ساختار گرافن بین یک اتم کربن با سه اتم کربن دیگر‬
‫پیوند کوواالنس ی وجود دارد‪.‬‬
‫دو اتم یکسان در هر سلول واحد‬

‫‪6‬‬
‫‪120°‬‬


Slide 7

‫بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬

‫ساختار باند انرژی در گرافن‬

‫‪7‬‬

‫آشاارساز نور با طول موجهای مختلف‬


Slide 8

‫بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬

‫‪8‬‬

‫ساختار ز ر بنایی برای ساخت نانو ساختارهای کربنی‪ ،‬تک الیه گرافن است که اگر بر روی هم قرار‬
‫بگیرند توده سه بعدی گرافیت را تشکیل میدهند که بر هم کنش بین این صفحات از نوع‬
‫واندروالس ی با فاصله ی بین صفحه ای ‪ 0.335‬نانومتر میباشد‪.‬‬
‫‪0.335n‬‬

‫ضعیف بودن پیوند واندروالس ی‬
‫دلیل نری بودن مداد سیاه‬


Slide 9

‫بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬

‫گرافن کم الیه‬
‫• الیه های گرافنی از ‪ 5‬تا ‪ 10‬الیه‬
‫گرافن ضخیم یا‬
‫نانو بلورهای‬
‫گرافیتی‬
‫• الیه های گرافنی از ‪ 20‬تا ‪ 30‬الیه‬

‫‪9‬‬


Slide 10

‫بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬

‫‪10‬‬

‫مزیت های گرافن‬

‫‪ ‬باال بودن رسانایی الکتریای‬
‫‪ ‬باال بودن رسانایی گرمایی‬
‫‪ ‬چگالی باالی حاملهای بار‬
‫‪ ‬تحرک پذیری باالی حاملهای بار‬
‫‪.‬‬
‫گرافن به واسطه این خواص فوق العاده به عنوان کاندیدای مناسب برای جایگزینی سیلیکون در الکترونیک تبدیل شده است‪.‬‬


Slide 11

‫بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬

‫کاربردهای‬
‫گرافن‬

‫‪‬تحرک باالی الکترون ها و قابلیت بالستیای آن ها سبب شده تا در ترانزیستورهای اثر میدانی‬
‫بالستیای باار برده شوند‪.‬‬
‫‪ ‬استفاده در کاربردهای فرکانس باال و آشاارسازهای ‪ 1THz‬و تولید لیزر‪.‬‬

‫‪ ‬کاربرد در سنسورهای شیمیایی ‪.‬‬
‫‪ ‬گرافن می تواند به عنوان یک ورقه رسانا نقش کانال را در افزاره های تک الکترونی ایفا کند‪.‬‬
‫‪ ‬ترانزیستورهای اثر میدانی ابر رسانا و افزاره های اسپینی از دیگر کاربردهای گرافن می باشد‪.‬‬
‫‪.‬‬

‫‪11‬‬


Slide 12

‫بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬

‫رشد زیر الیه گرافنی روی زیر الیه ‪SiC‬‬

‫‪12‬‬

‫• رفتار حرارتی سیلیاون کاربید در دمای حدود ‪ 1300‬درجه در خلء سبب می شود تا اتم های‬
‫سیلیاون سطح تصعید شوند در نتیجه در سطح یک الیه غنی از کربن شال می گیرد که‬
‫تحت حرارت باالی کافی و سازمان دهی مجدد سطح ‪ ،‬یک الیه گرافیتی شال می یابد‪ .‬کنترل‬
‫مناسب تصعید اتم های سیلیاون تولید الیه های بسیار نازکی را از گرافن بر روی ز رالیه‬
‫)‪(SiC‬سبب شده است‪.‬‬
‫• از طر ق رابطه چگالی مولر می توان محاسبه کرد که حدود سه جفت الیه ‪ SiC‬جهت تولید‬
‫اتم کربن آزاد برای تولید یک الیه گرافن الزی است‪.‬‬
‫• این روش برای تولید گرافن بسیار پیچیده است و نیاز به در نمر گرفتن پارامترهای بسیاری‬
‫برای رشد می باشد‬


Slide 13

‫بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬

‫‪13‬‬

‫روش ‪faco to face‬‬

‫• این روش بسیار ساده و مقرون به صرفه است و در عین حال الیه گرافنی با کیفیت مطلوبی در اختیار‬
‫قرار می دهد‪.‬‬
‫• در این روش دو و فر ‪ SiC‬یای در باال و دیگری در پایین به صورت چهره به چهره قرار می گیرند و یک شااف‬
‫کوچک در میان آن ها ایجاد می شود سپس به صورت همزمان حرارت داده می شوند‪.‬‬
‫• یای در درجه حرارت ز ر ‪ 1500‬درجه (قبل از آنکه گرافن شروع به رشد کند) هر دو و فر به صورت یک‬
‫منبع و سینک ‪ SiC‬در مقابل دیگری عمل می کند‪ .‬در این فاز بدون استفاده از بازپخت هیدروژنی می‬
‫توان به سطح مناسب‪ ،‬صاف و بزرگی جهت رشد گرافن دست یافت و در نتیجه به الیه های گرافنی با‬
‫سایز بزرگ تر دست یافت‪.‬‬
‫‪T1,T2< 1500°‬‬

‫‪T3,T4> 1530°‬‬
‫‪T3‬‬

‫‪T1‬‬

‫‪T4‬‬
‫‪Sic‬‬

‫‪T2‬‬
‫‪Sic‬‬


Slide 14

‫بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬

‫رشد گرافن به‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬

‫روش ‪CVD‬‬

‫‪14‬‬

‫در روش ‪CVD‬گرافن بر روی سطحی فلزی رشد می یابد و سپس به سطح نیمه هادی انتقال می یابد‬

‫فلز مس توانایی سرعت بخشیدن به رشد کربن را دارد اما اجازه رشید تیک‬
‫الیه های کربنی را بر روی خود می دهد‪.‬‬
‫قابلی ییت حللی ییت ک ییربن در م ییس بس یییار ک ییم اس ییت‪ .‬در نتیج ییه وقت ییی ات ییم ه ییای‬
‫ک ییربن ب ییا س ییطح م ییس برخ ییورد م ییی کنن یید تش ییکیل س ییاختار ش ییش گوش ییه م ییی‬
‫دهند که گرافن نامیده می شود‬
‫وقتی ییی کی ییه سی ییطح می ییس بی ییه طی ییور کامی ییل توس ی ی کی ییربن پوشی ییانده شی یید رشی یید‬
‫متوقف می شود‪.‬‬
‫در این روش سایز رشد گرافن با سایز سطح مس در ارتباط است‪.‬‬

‫پس از رشد الیه های گرافن بر روی سطح مس ی نیاز است تا گرافن بر روی سطح ز رالیه دیگری منتقل شود‬


Slide 15

‫بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬

‫‪15‬‬

‫مرحل ییه ‪)1‬ی ییک الی ییه پلیم ییری ب ییر روی گ یرافن‬
‫کشیییده مییی شییود کییه از نمییر ماییانیای هنگییای جییدا‬
‫شدن گرافن از روی مس تقو ت می کند‪.‬‬

‫مرحلییه ‪)2‬لبییه هییا بییه دقییت خراشیییده مییی شییوند‬
‫تا با استفاده از اسید جدا شدن گرافن از سیطح میس‬
‫راح ییت ت ییر ش ییود از ترکی ییب رقی ییق ش ییده ‪ HCl‬و ‪ HF‬در‬
‫آب بیا مقیداری ‪ H202‬بیرای سیرعت بخشیییدن بیه رونیید‬
‫جدا شدن گرافن از مس استفاده می شود‪.‬‬


Slide 16

‫بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬

‫‪16‬‬

‫مرحله ‪)3‬پس از مدت زمانی که مجموعه در‬
‫محلول فوق قرار گرفت که مس خورده شده‬
‫و الیه گرافنی به صورت معلق در می آید‪.‬‬

‫مرحلییه ‪)4‬وقتییی کییه مییس بطییور کامییل خییورده شیید‪ ،‬گ یرافن بییه‬
‫آرامییی از روی آن برداشییته مییی شییود و ز ییر آن توسی آب تمی یز‬
‫میی شیود‪ .‬الییه شییامل گیرافن و پلیمیر بییر روی سیطح اکسیید بییر‬
‫روی س ی یییلیاون قی ی یرار داده می ی ییی شی ی ییود‪ .‬الی ی ییه پلیمی ی ییری توسی ی ی‬
‫محلول استون و یا محلول الکلی دیگری حذف می شود‪.‬‬


Slide 17

‫بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬

‫روش الیه برداری شیمیایی‬

‫‪17‬‬

‫• از نانولوله های کربنی و ساختارهای نانوکربنی مشابه گرافن در حلل های شیمیایی‬
‫استفاده می شود‪ .‬این مخلوط در دستگاه های سانتریفیوژ قرار داده می شود‪ .‬این‬
‫فرآیند سبب جدا شدن الیه های گرافیت از یکدیگر شده و تک الیه های گرافنی تولید‬
‫می شود‪ .‬این حلل سبب کاهش انرژی مورد نیاز برای شکستن اتم های گرافیت شده و‬
‫پوسته های گرافنی ایجاد می کند‪.‬‬


Slide 18

‫بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬

‫رشد ناش ی از مذاب کربن ‪ -‬فلز‬

‫• کربن حل شده در فلز مذاب به آرامی سرد شده تا رسوبی از اتم های کربن به‬
‫صورت تک الیه های گرافنی ایجاد شود‪.‬‬

‫‪18‬‬


Slide 19

‫بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬

‫تشکیل الیه گرافن با استفاده از کربن آمورف‬
‫‪‬در این روش یک الیه از کربن آمورف بر روی سطح و فر استاندارد ‪ Si / SiO2‬می‬
‫نشانیم‬
‫‪‬سپس سطح آن را با الیه ای از فلز نیال پوشش می دهیم‬
‫‪‬سپس آن را در فشار کم و دمای بین ‪ 650‬تا ‪ 950‬درجه گری می کنیم تا اتم های کربن‬
‫درون فلز انتشار یابند سپس آن را سرد می کنیم‬
‫‪‬در این حالت اتم های کربن در سطح به صورت الیه های گرافنی ایجاد می شوند‪.‬‬

‫‪19‬‬


Slide 20

‫بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬

‫نمونه هایی از ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬
‫سرعت اشباع باالی گرافن آن را به عنوان یک کاندید مناسب برای کاربردهای فرکانس باال معرفی می کند‪ .‬علوه‬
‫بر این ضخامت بسیار کم الیه گرافن و ژگی های الکترواستاتیای ایده آلی را برای افزاره فراهم می کند‪.‬اخیرا‬
‫ترانزیستور هایی که از یک الیه گرافن در آنها به عنوان کانال استفاده شده است در فرکانس های قطع چند گیگا‬
‫هرتزی معرفی شده اند ‪.‬‬
‫ساده ترین ساختاری که برای ترانزیستورهای گرافنی معرفی می شود‬

‫گیرافن بییه عنییوان کانییال مییاده منحصییر بییه فییردی اسییت چیرا کییه بییر خییلف سییایر نیمییه‬
‫هادی ها نیازی به تزر ق ناخالص ی برای هدایت الکتریای ندارد‪..‬‬

‫‪20‬‬


Slide 21

‫بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬

‫‪21‬‬

‫امروزه تلش های بسیاری بر روی ترانزیستورهای اثر میدانی بر پایه گرافن ‪ GFET‬انجای‬
‫می شود‪ .‬در این تحقیقات برای افزایش فرکانس افزاره های ‪ FET‬از یک الیه گرافنی به‬
‫صورت ز ر استفاده شده است‪.‬‬
‫‪Al2O3‬‬

‫‪sourse‬‬
‫‪graphene‬‬

‫‪SiO2‬‬

‫‪si‬‬

‫‪gate‬‬
‫‪drain‬‬


Slide 22

‫بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬

‫‪22‬‬

‫‪ GFET‬با دو پایه گیت‬

‫• افزاره های فرکانس باال معموال از اثرات کانال کوتاه و مقاومت های سری‬
‫بین در ن‪ ،‬کانال و سورس رنج می برند‪ .‬گرافن با ساختاری تک الیه‬
‫بار کترین کانال را ارائه می دهد و باعث بهبود الکترواستاتیای افزاره می‬
‫شود‪.‬‬
‫‪drain‬‬

‫‪Al2O3‬‬
‫‪sourse‬‬

‫‪graphene‬‬
‫‪SiO2‬‬
‫‪si‬‬

‫‪gate‬‬

‫‪gate‬‬
‫‪sourse‬‬


Slide 23

‫بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬

‫نمونه های دیگری از ترانزیستورهای گرافنی‬

‫‪23‬‬


Slide 24

‫بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬

‫‪Vertical GBT‬‬
‫‪‬گرافن در مسیر عادی (طبیعی) به عنوان یک مانع بشمار می رود‪ .‬در حالت روشن‬
‫حامل ها از عایق امیتر‪-‬بیس و الکترود کلکتور بیس (گرافن) به الیه هدایت بیس‬
‫کلکتور تونل می زنند‪.‬‬
‫‪graphene‬‬

‫‪24‬‬


Slide 25

‫بررسی ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن‬

‫نتیجه گیری‬
‫‪ ‬گرافن ماده ای است که با توجه به خصوصیات ذکر شده میتواند جایگز ن‬
‫نیمه هادی های سیلیاونی در صنعت الکترونیک شود‪.‬‬
‫‪ ‬استفاده از گرافن نو د دهنده ترانزیستورهای با سرعت باال (در محدوده تراهرتز)‬
‫در آینده میباشد‬

‫‪25‬‬


Slide 26

‫با تشکر‬

‫‪26‬‬