Graphene, with impressive electronic properties, have high potential in the microelectronic field. However, graphene itself is a zero bandgap material which is not suitable for digital logic gates and its application. Thus, much focus is on graphene nanoribbons (GNRs) that are narrow strips of graphene. During GNRs fabrication process, the occurrence of defects that ultimately change electronic properties of graphene is difficult to avoid. The modelling of GNRs with defects is crucial to study the non-idealities effects. In this work, nearest-neighbor tight-binding (TB) model for GNRs is presented with three main simplifying assumptions. They are utilization of basis function, Hamiltonian operator discretization and plane wave approximation. Two major edges of GNRs, armchair-edged GNRs (AGNRs) and zigzag-edged GNRs (ZGNRs) are explored. With single vacancy (SV) defects, the components within the Hamiltonian operator are transformed due to the disappearance of tight-binding energies around the missing carbon atoms in GNRs. The size of the lattices namely width and length are varied and studied. Non-equilibrium Green's function (NEGF) formalism is employed to obtain the electronics structure namely band structure and density of states (DOS) and all simulation is implemented in MATLAB. The band structure and DOS plot are then compared between pristine and defected GNRs under varying length and width of GNRs. It is revealed that there are clear distinctions between band structure, numerical DOS and Green's function DOS of pristine and defective GNRs.
Transactions on Electrical and Electronic Materials
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v.17
no.5
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pp.270-274
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2016
This article investigates the use of the Gaussian-channel doping profile for the control of the short-channel effects in the double-gate MOSFET whereby a two-dimensional (2D) quantum simulation was used. The simulations were completed through a self-consistent solving of the 2D Poisson equation and the Schrodinger equation within the non-equilibrium Green’s function (NEGF) formalism. The impacts of the p-type-channel Gaussian-doping profile parameters such as the peak doping concentration and the straggle parameter were studied in terms of the drain current, on-current, off-current, sub-threshold swing (SS), and drain-induced barrier lowering (DIBL). The simulation results show that the short-channel effects were improved in correspondence with incremental changes of the straggle parameter and the peak doping concentration.
JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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v.6
no.1
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pp.1-9
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2006
We introduce our in-house program, NANOCAD, for the modeling and simulation of carrier transport in nanoscale MOSFET devices including quantum-mechanical effects, which implements two kinds of modeling approaches: the top-down approach based on the macroscopic quantum correction model and the bottom-up approach based on the microscopic non-equilibrium Green’s function formalism. We briefly review these two approaches and show their applications to the nanoscale bulk MOSFET device and silicon nanowire transistor, respectively.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2009.06a
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pp.132-132
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2009
A 2D-simulation using a quantum model of silicon nanowire (SiNW) field-effect transistors (FETs) have been performed by the effective mass theory. We have investigated very close for real device analysis, so we used to the non-equilibrium Green's function (NEGF) and the density gradient of quantum model. We investigated I-V characteristics curve and C-V characteristics curve of the channel thickness from 5nm to 200nm. As a result of simulation, even higher drain current in SiNW using a quantum model was observed than in SiNW using a non-quantum model. The reason of higher drain current can be explained by the quantum confinement effect.
In this paper, quantum mechanical simulations of the double-gate ultra-thin body (DG-UTB) MOSFETs are performed according to the International Technology Roadmap of Semiconductors (ITRS) specifications planned for 2020, to devise the way for on-current ($I_{on}$) improvement. We have employed non-equilibrium Green's function (NEGF) approach and solved the self-consistent equations based on the parabolic effective mass theory [1]. Our study shows that the [100]/<001> Ge and GaSb channel devices have higher $I_{on}$ than Si channel devices under the body thickness ($T_{bd}$) <5nm condition.
In this paper, the physics-based analytical model of transition metal dichalcogenide (TMD)-based double-gate (DG) tunneling field-effect transistors (TFETs) is proposed. The proposed model is derived by using the two-dimensional (2-D) Landauer formula and the Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB) approximation. For improving the accuracy, nonlinear and continuous lateral energy band profile is applied to the model. 2-D density of states (DOS) and two-band effective Hamiltonian for TMD materials are also used in order to consider the 2-D nature of TMD-based TFETs. The model is validated by using the tight-binding non-equilibrium Green's function (NEGF)-based quantum transport simulation in the case of monolayer molybdenum disulfide ($MoS_2$)-based TFETs.
Ultra-thin body transistor is one of the emerging devices since it control leakage current flows through substrate. In addition, it can be operated by double gates, thus, its on/off current ratio is higher than conventional counterpart. In this paper, we design and investigate a CMOS inverter based on ultra-thin body MOSFETs to estimate its performance in real application. NEGF (non-equilibrium Green's function) method is used to obatain relationship between drain current and voltage. DC transfer is extracted from the relationship, and FO4 (fanout-of-4) propagation delay is reported as 5.1 ps estimated by a simple model.
JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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v.14
no.5
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pp.615-624
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2014
In this paper, we explore the electrical properties and high-frequency performance of carbon nanotube field-effect transistors (CNTFETs), based on the non-equilibrium Green's functions (NEGF) solved self - consistently with Poisson's equations. The calculated results show that CNTFETs exhibit superior performance compared with graphene nanoribbon field-effect transistors (GNRFETs), such as better control ability of the gate on the channel, higher drive current with lower subthreshold leakage current, and lower subthreshold-swing (SS). Due to larger band-structure-limited velocity in CNTFETs, ballistic CNTFETs present better high-frequency performance limit than that of Si MOSFETs. The parameter effects of CNTFETs are also investigated. In addition, to enhance the immunity against short - channel effects (SCE), hetero - material - gate CNTFETs (HMG-CNTFETs) have been proposed, and we present a detailed numerical simulation to analyze the performances of scaling down, and conclude that HMG-CNTFETs can meet the ITRS'10 requirements better than CNTs.
K.L. Wong;M.W. Chuan;A. Hamzah;S. Rusli;N.E. Alias;S.M. Sultan;C.S. Lim;M.L.P. Tan
Advances in nano research
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v.17
no.2
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pp.137-147
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2024
Graphene nanoribbons (GNRs) are considered a promising alternative to graphene for future nanoelectronic applications. However, GNRs-based device modeling is still at an early stage. This research models the electronic properties of n-doped rough-edged 13-armchair graphene nanoribbons (13-AGNRs) and quantum transport properties of n-doped rough-edged 13-armchair graphene nanoribbon field-effect transistors (13-AGNRFETs) at different doping concentrations. Step-up and edge doping are used to incorporate doping within the nanostructure. The numerical real-space nearest-neighbour tight-binding (NNTB) method constructs the Hamiltonian operator matrix, which computes electronic properties, including the sub-band structure and bandgap. Quantum transport properties are subsequently computed using the self-consistent solution of the two-dimensional Poisson and Schrödinger equations within the non-equilibrium Green's function method. The finite difference method solves the Poisson equation, while the successive over-relaxation method speeds up the convergence process. Performance metrics of the device are then computed. The results show that highly doped, rough-edged 13-AGNRs exhibit a lower bandgap. Moreover, n-doped rough-edged 13-AGNRFETs with a channel of higher doping concentration have better gate control and are less affected by leakage current because they demonstrate a higher current ratio and lower off-current. Furthermore, highly n-doped rough-edged 13-AGNRFETs have better channel control and are less affected by the short channel effect due to the lower value of subthreshold swing and drain-induced barrier lowering. The inclusion of dopants enhances the on-current by introducing more charge carriers in the highly n-doped, rough-edged channel. This research highlights the importance of optimizing doping concentrations for enhancing GNRFET-based device performance, making them viable for applications in nanoelectronics.
M.W. Chuan;S.Z. Lok;A. Hamzah;N.E. Alias;S. Mohamed Sultan;C.S. Lim;M.L.P Tan
Advances in nano research
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v.14
no.1
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pp.1-15
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2023
Driven by the scaling down of transistor node technology, graphene became of interest to many researchers following the success of its fabrication as graphene nanoribbons (GNRs). However, during the fabrication of GNRs, it is not uncommon to have defects within the GNR structures. Scaling down node technology also changes the modelling approach from the classical Boltzmann transport equation to the quantum transport theory because the quantum confinement effects become significant at sub-10 nanometer dimensions. The aim of this study is to examine the effect of Stone-Wales defects on the electronic properties of GNRs using a tight-binding model, based on Non-Equilibrium Green's Function (NEGF) via numeric computation methods using MATLAB. Armchair and zigzag edge defects are also implemented in the GNR structures to mimic the practical fabrication process. Electronic properties of pristine and defected GNRs of various lengths and widths were computed, including their band structure and density of states (DOS). The results show that Stone-Wales defects cause fluctuation in the band structure and increase the bandgap values for both armchair GNRs (AGNRs) and zigzag GNRs (ZGNRs) at every simulated width. In addition, Stone-Wales defects reduce the numerical computation DOS for both AGNRs and ZGNRs. However, when the lengths of the structures increase with fixed widths, the effect of the Stone-Wales defects become less significant.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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