Des propriétés de transport des nanotubes de carbone au transistor : étude par simulation Monte Carlo

par Hugues Cazin d'Honincthun

Thèse de doctorat en Physique. Électronique

Sous la direction de Jean-Philippe Bourgoin et de Sylvie Galdin-Retailleau.


  • Résumé

    Pour continuer la course à la miniaturisation des composants microélectronique, les nanotubes de carbone (NTC) se présentent comme une alternative potentielle au Silicium en tant que canal de conduction dans les transistors à effet de champ (CNTFET). Afin de comprendre le fonctionnement du CNTFET, ce travail présente un ensemble de simulations physiques de type Monte-Carlo permettant une description fine du transport de charges. Ce travail est basé sur le simulateur particulaire MONACO qui a été adapté aux propriétés spécifiques des NTC. Il commence par une étude détaillée du transport électronique dans les NTC semi-conducteurs mono-feuillet. L’importance des différents mécanismes d’interaction électron-phonon et leur impact sur les propriétés de transport sont plus particulièrement analysés. Les libres parcours moyens obtenus sont dépendants du champ électrique : suivant les phonons dominants: ils sont supérieurs à 100 nm à faible champ et inférieurs à 20 nm à fort champ. La simulation d’un CNTFET à grille cylindrique et à contacts ohmiques est ensuite proposée en vu de dimensionner le transistor pour des applications numériques et analogiques. L’influence du contrôle électrostatique, du transport balistique et de la capacité quantique sur le fonctionnement et les performances du transistor est analysée et validée par des travaux expérimentaux. Enfin, les performances dynamiques du transistor à nanotube sont évaluées à partir de facteurs de mérite pertinents définis, d’une part, pour des applications numériques et, d’autre part, pour des applications analogiques haute fréquence pour lesquelles des valeurs de fréquence de transition supérieures au THz sont obtenues.

  • Titre traduit

    From transport properties of carbon nanotubes to transistor : a Monte Carlo study


  • Résumé

    To extend the scaling of microelectronics devices, carbon nanotubes (CNT) are considered as one of the most promising alternative material to Silicon. Here we propose a study of Carbon Nanotube Field-Effect Transistor (CNTFET) based on the particle Monte Carlo technique which gives a good description of charge transport taking into account electron-phonon scattering mechanisms. For this work, the Monte Carlo simulator MONACO has been extended to take into account CNT material properties. We begin with a detailed study of intrinsic charge transport in semiconducting single-wall CNT. In particular, we point out the importance and the impact of electron-phonon scattering on transport properties and performance. We obtain electron mean-free paths strongly dependent on electric field: according to the dominant phonon mode, the mean free-path is higher than 100 nm at low field and smaller than 20 nm at high field. Next, we study a coaxially gated CNTFET with electrostatically doped source and drain extensions in order to give the key parameters governing the performances for logic and analog applications. The influence of electrostatic control by the gate, of ballistic transport and quantum capacitance limit in this low dimensional system is analysed and the results are validated by experimental works. Finally, an evaluation of CNTFET dynamic performance, based on relevant key metrics, is proposed for logic and high frequency applications. In particular, intrinsic gain cut off frequency higher than one terahertz is obtained for 100 nm long gate length.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (187 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 173-184

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  • Bibliothèque : Université Paris-Sud (Orsay, Essonne). Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 0g ORSAY(2008)14
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