Path: Top > S3-Dissertations > Physics-FMIPA > 2015

PEMODELAN KARAKTERISTIK DIVAIS ELEKTRONIK BERBASIS MATERIAL NANOPITA GRAFENA ARMCHAIR UNTUK APLIKASI DIVAIS BERDAYA RENDAH DAN BERKECEPATAN TINGGI

MODELING OF ELECTRONIC DEVICES CHARACTERISTICS BASED ON ARMCHAIR GRAPHENE NANORIBBON MATERIAL FOR LOW POWER AND HIGH SPEED DEVICE APPLICATION

PhD Theses from JBPTITBPP / 2018-02-13 14:49:43
Oleh : ENDI SUHENDI (NIM : 30210007), S3 - Physics-FMIPA
Dibuat : 2015, dengan 7 file

Keyword : Nanopita grafena armchair/AGNR, dioda sambungan p-n, TFET, arus terobosan

Miniaturisasi divais complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) berbasis silikon telah meningkatkan unjuk kerja komputer yang luar biasa seperti pada kecepatan switch, kerapatan dan kegunaannya. Akan tetapi, proses reduksi dimensi secara terus-menerus dari silikon CMOS menghasilkan konsumsi daya yang tinggi akibat meningkatnya arus bocor yang mendegradasi rasio arus switch antara keadaan ON dan OFF (ION/IOFF) pada tegangan suplai rendah. Salah satu divais yang diusulkan untuk mengganti silikon CMOS adalah tunnel field effect transistor (TFET). TFET menggunakan terobosan elektron antar pita untuk mereduksi IOFF sehingga hal ini dapat meningkatkan ION/IOFF dan mempercuram subthershod swing.

Pencarian material baru dengan sifat-sifat yang dapat dikontrol secara lebih baik oleh medan listrik pada divais TFET masih terus dilakukan. Salah satu material alternatif yang saat ini banyak dikaji adalah grafena. Grafena merupakan material dua dimensi yang memiliki sifat menarik di antaranya: mobilitas pembawa/carrier yang sangat tinggi, massa efektif yang sangat ringan (menuju nol), ketebalannya satu atom, geometrinya planar dan proses pembuatannya kompatibel dengan teknologi silikon konvensional. Grafena sangat berpotensi menjadi material pengganti silikon untuk aplikasi divais elektronik masa depan. Nanopita grafena/graphene nanoribbon armchair (AGNR) yang memiliki energi celah pita

ii

bergantung pada lebarnya membuka aplikasi material ini pada divais logika seperti TFET.

Penelitian tentang pemodelan aplikasi nanopita grafena untuk divais elektronik telah dilakukan. Divais yang menjadi tinjauan adalah dioda sambungan p-n dan TFET. Pemodelan karakteristik divais elektronik dioda sambungan p-n nanopita grafena adalah berupa hubungan arus terobosan dengan tegangan panjar. Perhitungan transmitansi dan arus pada divais ini menggunakan persamaan mirip Dirac dengan metode matriks transfer/MMT. Sebagai pembanding, dilakukan pula perhitungan transmitansi dan arus dengan menggunakan persamaan Schrödinger dengan MMT dan pendekatan WKB. Perumusan dan perhitungan arus terbosan pada divais sambungan p-n dan TFET berbasis material AGNR dengan menggunakan persamaan mirip Dirac dengan MMT ini merupakan suatu hal baru dan belum dilakukan oleh peneliti lain sampai saat ini.

Karakteristik divais elektronik dioda sambungan p-n AGNR dipengaruhi oleh faktor geometri dan suhu. Arus terobosan semakin besar untuk penggunaan lebar AGNR dan medan listrik pada daerah deplesi yang lebih besar. Arus terobosan semakin kecil ketika suhu semakin besar. Rapat arus maksimum pada dioda sambungan p-n AGNR semakin besar ketika medan listrik pada daerah deplesi semakin besar. Lebar AGNR yang diperlukan agar terjadi rapat arus maksimum semakin kecil dengan meningkatnya medan listrik. Arus terobosan pada dioda sambungan p-n AGNR hasil perhitungan dengan persamaan Schrödinger melalui MMT lebih besar dibandingkan hasil perhitungan dengan persamaan mirip Dirac. Akan tetapi, kenaikan arus terobosan memiliki pola yang hampir sama. Berbeda dengan perhitungan melalui MMT, pendekatan WKB memiliki pola sendiri yang perbedaannya cukup mencolok.

Pemodelan profil potensial pada divais GNR-TFET telah dilakukan dengan menggunakan metode konsistensi diri antara persamaan mirip Dirac dengan persamaan Poisson dengan pendekatan beda hingga domain waktu (Finite Difference Time Domain/FDTD). Perumusan dan perhitungan ini merupakan

iii

suatu hal baru dalam penelitian disertasi ini dan masih belum dilakukan peneliti lain. Sebagai pembanding dilakukan juga metode konsistensi diri antara persamaan Schrödinger dengan persamaan Poisson. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa ada perbedaan energi potensial pada divais AGNR-TFET dari hasil kedua perhitungan tersebut, walaupun perbedaanya sangat kecil.

Karakteristik divais elektronik divais AGNR-TFET berupa hubungan arus terobosan dengan tegangan sumber dan tegangan drain telah dimodelkan. Perhitungan transmitansi dan arus pada divais ini menggunakan persamaan mirip Dirac dengan metode matriks transfer. Sebagai pembanding, dilakukan pula perhitungan transmitansi dan arus dengan menggunakan persamaan Schrödinger dengan metode matriks transfer dan pendekatan WKB.

Karakteristik divais elektronik AGNR-TFET dipengaruhi oleh faktor geometri dan suhu. Arus terobosan semakin besar untuk lebar AGNR lebih besar. Semakin besar panjang kanal semakin kecil arus yang mengalir. Semakin kecil ketebalan oksida semakin besar arus terobosannya. Arus terobosan semakin besar untuk suhu yang semakin kecil. Subthreshold swing mengecil dengan memperbesar panjang AGNR dan memperkecil lebar AGNR dan ketebalan oksida. Arus terobosan pada AGNR-TFET hasil perhitungan dengan persamaan Dirac lebih kecil dari perhitungan dengan menggunakan persamaan Schrödinger. Arus terobosan hasil perhitungan dengan menggunakan persamaan mirip Dirac untuk kelajuan Fermi yang semakin rendah memiliki nilai yang hampir sama dengan arus terobosan yang dihitung dengan menggunakan persamaan Schrödinger.

Divais AGNR-TFET yang dimodelkan memiliki karakteristik sebagai berikut: tegangan threshold dalam rentang 0,01 - 0,02 V, daya OFF sebesar 0,0000025 μW/μm, daya ON sebesar 2,2 μW/μm, dan subthreshold swing 5 mV/dec. Dengan karakteristik tersebut, divais AGNR-TFET tepat untuk aplikasi divais berdaya rendah dan berkecepatan tinggi.

Deskripsi Alternatif :

Miniaturization of silicon complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) devices has given remarkable improvements to computer performance such as switching speed, density, and functionality. However, the continuous reduction of silicon CMOS device dimension has resulted in high power consumption due to high leakage currents that degrade the switching ratio of ‘on’ and ‘off’ currents (ION/IOFF) at low supply voltages. One of devices that proposed to replace silicon CMOS is a tunnel field effect transistor (TFET). A TFET use band-to-band electron tunneling to reduce IOFF so that enhancing ION/IOFF and to make steeper subthreshold swing.

The search for new materials with properties that can be better controlled by the electric field in TFETs has been continuing. One of alternative material that is currently widely studied is Graphene. Graphene is a two-dimensional material that has interesting properties such as: high carrier mobility, very light effective mass (toward zero), one atom thickness, planar geometry and the manufacturing process are compatible with conventional silicon technology. Graphene has the potential to be a replacement of silicon material for future applications of electronic devices. Armchair graphene nanoribbon (AGNR) which has a band gap energy depending on its width, opened the application of this material for logic devices such as tunnel field-effect transistors/TFET.

vi

Research on the modeling of graphene nanoribbon application for electronics devices have been carried out. Devices being simulated are a p-n junction diode and TFET. The characteristics modeling of electronic devices graphene nanoribbon p-n junction diode is the relations between the tunneling current with the bias voltage. The calculation of the transmittance and the tunneling current in this device is using the Dirac ‘like’ equation with the transfer matrix method/TMM. As a comparison, the transmittance and the tunneling current are also calculated using the Schrödinger equation with the TMM and WKB approach. The formulation and the calculation of the tunneling current in p-n junction and TFET devices based AGNR material using the Dirac like equation and the TMM are a novelty and it has not been done by other researchers.

The characteristics of electronic device AGNR p-n junction diode are influenced by the geometry and the temperature. The tunneling current increases with the width of AGNR and the electric field in the depletion region. The tunneling current increases as the temperature increases. The maximum current density in the AGNR p-n junction diode increases when the electric field in the depletion region increases. The necessary width of AGNR to make the maximum current density gets smaller with increasing electric field. The tunneling currents in the AGNR p-n junction diode calculated using the Schrödinger equation through MMT is larger than that using Dirac ‘like’ equation. However, the increase in tunneling current has a similar pattern. Unlike the calculations through MMT, WKB approach has its own pattern and the difference is quite striking.

Modeling of the potential profile in the graphene nanoribbon tunnel field-effect transistor/AGNR-TFET has been done using a self-consistency method between the Dirac ‘like’ equation and a Poisson equation with Finite Difference Time Domain/FDTD approach. These formulation and calculation are a novelty and it has not been done by other researchers. As a comparison, the potential profile is also calculated using the self-consistency method between the Schrödinger equation and the Poisson equation. The calculations result shows that there are

vii

differences on the potential energy in the AGNR-TFET devices, although the differences are very small.

The characteristics of electronic devices AGNR-TFET has been also modeled in the form of relation between tunneling currents with the source voltages and the drain voltages. The transmittance and the tunneling current are obtained by using the Dirac ‘like’ equation with the transfer matrix method. As a comparison, it is also calculated using the Schrödinger equation with the transfer matrix method and WKB approach.

The characteristics of electronic device AGNR-TFET are influenced by the geometry and the temperature. The tunneling current increases with the width of AGNR. The larger channel length, the smaller tunneling currents occurs. The tunneling currents increase when the oxide thickness and the temperature decrease. The subthreshold swing of AGNR-TFET also depends on the geometry factors. It decreases by enlarging the length of AGNR and reducing the width of AGNR and the oxide thickness. The tunneling current on AGNR-TFET device calculated by using the Dirac ‘like’ equation is smaller than that calculated using the Schrödinger equation. The drain current versus gate voltage characteristic calculated by using Dirac like equation for lower Fermi velocity has similar characteristic with that calculated using the Schrödinger equation.

The modeled of AGNR-TFET devices has the following characteristics: the threshold voltage is around 0,01-0,02 V, power OFF is 0,0000025 μW/μm, power ON is 2,2 μW/μm and the subthreshold swing is 5 mV/dec. From these characteristics, the AGNR-TFET devices is suitable for the application of low-power and high-speed devices.

Copyrights : Copyright (c) 2001 by Perpustakaan Digital ITB. Verbatim copying and distribution of this entire article is permitted by author in any medium, provided this notice is preserved.

Beri Komentar ?#(0) | Bookmark

PropertiNilai Properti
ID PublisherJBPTITBPP
OrganisasiS3 - Physics-FMIPA
Nama KontakUPT Perpustakaan ITB
AlamatJl. Ganesha 10
KotaBandung
DaerahJawa Barat
NegaraIndonesia
Telepon62-22-2509118, 2500089
Fax62-22-2500089
E-mail Administratordigilib@lib.itb.ac.id
E-mail CKOinfo@lib.itb.ac.id

Print ...

Kontributor...

  • Pembimbing :

    Prof. Dr. Eng. Khairurrijal.

    Dr. Neny Kurniasih. .

    Dr. Fatimah A Noor., Editor: Alice Diniarti

File PDF...