Modelling of field-effect transistors based on 2D materials targeting high-frequency applications
Los sistemas de comunicación inalámbricos 5G, así como el futuro despliegue del "Internet of Things", han hecho que el International Technology Roadmap for Semiconductors, documento estratégico que marca la hoja de ruta de la industria de los semiconductores, incluya desde 2011 al grafeno...
| Autor: | |
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| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2017 |
| País: | España |
| Institución: | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Repositorio: | Dipòsit Digital de Documents de la UAB |
| Idioma: | inglés |
| OAI Identifier: | oai:ddd.uab.cat:186874 |
| Acceso en línea: | https://ddd.uab.cat/record/186874 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Internet de les coses Transmissió de dades, Sistemes de Grafè Sistemes de comunicació sense fil Transistors d'efecte de camp |
| Sumario: | Los sistemas de comunicación inalámbricos 5G, así como el futuro despliegue del "Internet of Things", han hecho que el International Technology Roadmap for Semiconductors, documento estratégico que marca la hoja de ruta de la industria de los semiconductores, incluya desde 2011 al grafeno y los 2DMs relacionados (GRMs) como candidatos para la electrónica del futuro. Así, el grafeno es considerado actualmente una excelente opción debido a que presenta unas propiedades excepcionales en cuanto al transporte electrónico; y se prevé que los transistores de efecto de campo (FET) que basen su funcionamiento en GRMs (2D-FETs), podrán superar el rendimiento de otras tecnologías. La presente tesis está dedicada al modelado de 2D-FETs. El objetivo principal es el desarrollo de modelos y herramientas que permitan (i) ganar control tecnológico de los dispositivos basados en grafeno y grafeno bicapa (BLG), (ii) predecir el rendimiento en radiofrecuencia y evaluar la estabilidad de dichos dispositivos, (iii) comparar el rendimiento con otras tecnologías existentes, (iv) servir de ayuda al diseño de circuitos y dispositivos y (v) simular circuitos basados en 2D-FETs. Para ello, la presente tesis comprende el desarrollo de un modelo de pequeña señal adecuado para 2D-FETs que garantiza la conservación de la carga. Este modelo viene acompañado de una metodología de extracción de parámetros que incluye las resistencias de contacto y acceso, las cuales son de extrema importancia en FETs de baja dimensionalidad. Tomando tal modelo como base, se realiza el análisis de las prestaciones en radiofrecuencia, la evaluación de la estabilidad cuando dichos dispositivos actúan como amplificadores de potencia, y un estudio del escalado del GFET. Los modelos de pequeña señal, como el presentado en esta tesis, son muy útiles para posibilitar el desarrollo de prototipos de una forma rápida y sencilla, lo cual es de especial importancia para tecnologías que se encuentran en las primeras fases de desarrollo, como es el caso actual de la tecnología basada en 2DMs. Como principal contribución de esta tesis se presenta el desarrollo de un modelo compacto intrínseco de gran señal y basado en la física para FETs de grafeno (GFETs). La importancia de dicho modelo reside en su facultad de poder ser incluido en herramientas software de diseño asistido. El esfuerzo de crear un modelo es un paso necesario para facilitar el diseño de circuitos integrados monolíticos (10ICs) complejos que operen a frecuencias de microondas. La mayoría de los circuitos basados en GRMs demostrados hasta el momento no son ICs, por lo que se requiere de circuitos externos para su funcionamiento. Sin embargo, el desarrollo de circuitos de banda ancha operando a frecuencias de microondas precisa de esta tecnología. El modelo presentado en esta tesis es un buen punto de partida para el futuro desarrollo del diseño asistido de 10ICs basados en grafeno. Los resultados son comparados con medidas experimentales de diversos circuitos, como por ejemplo, un amplificador de tensión, un doblador de frecuencia, un mezclador subharmónico de radiofrecuencia; y un detector de fase. Por otra parte, el BLG es también un material prometedor para transistores que operan en radiofrecuencia. Este material posee una banda prohibida que resulta en una mejor saturación de la corriente que en grafeno monocapa. Motivado por esta importante propiedad física, en esta tesis se lleva a cabo el desarrollo de un modelo numérico de gran señal para FETs basados en BLG, el cual permite lo siguiente: (i) entender las propiedades electrónicas del BLG y cómo estas pueden ser controladas por acción del campo eléctrico, (ii) evaluar el impacto de la banda prohibida en las prestaciones de radiofrecuencia, (iii) comparar dichas prestaciones con otras tecnologías, y (iv) proporcionar asistencia al diseño de dispositivos. De forma notable, el modelo ha sido verificado con datos experimentales obtenidos en la literatura científica. |
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