DFT Performance Analysis of Graphene Nanoribbon FET with Gate Stack for Low Power Applications

Abstract

У цій статті представлено покращені характеристики польового транзистора на основі графенової нанострічки з новою структурою. У запропонованій структурі кількість атомів вуглецю змінюється вздовж ширини (n) крісельної графенової нанострічки (AGN) поперек каналу. Матеріал каналу розроблено з використанням підходу стеку затворів. Крім того, досліджується транспорт носіїв заряду з використанням розширеної моделі Хюккеля (HE) на основі теорії функціоналу густини (DFT). Збільшення значення 'n' від 4 до 8 у матеріалі каналу збільшує струм увімкнення (ION), зменшує струм вимкнення (IOFF), покращує коефіцієнт перемикання та зменшує порогову напругу (Vth) на 29 %, що призводить до зменшення зниження бар'єру, індукованого стоком (DIBL) у пристрої A8 (GS-GNFET з AGN (n = 8) у матеріалі каналу) порівняно з пристроєм A4, що має (GS-GNFET з AGN (n = 8) у матеріалі каналу). Аналіз густини станів пристрою (DDOS) підтверджує вищу зайнятість електронів та кращу продуктивність пристрою A8 порівняно з моделлю пристрою A4. Матрицю гамільтоніана з щільним зв'язком розв'язують за допомогою моделі HE та напівемпіричного калькулятора. У запропонованій нами моделі пристрою GS-GNFET було зафіксовано покращення струму ввімкнення на 33 % та зменшення струму вимкнення на 76 % порівняно зі звичайним GNRFET. Більше того, пристрій A8 має дуже низьке значення статичної потужності (1,69 × 10⁻ 13 Вт) порівняно з попередньо встановленими експериментальними даними, отриманими з огляду літератури.

This article presents the improved device performance of graphene nanoribbon field effect transistor with novel structure. In this proposed structure, number of carbon atoms are varied along armchair graphene nanoribbon (AGN) width (n), across the channel. The channel material is developed with gate stack approach. Moreover, the carrier transport using huckel extended (HE) model-based density functional theory (DFT) is studied. The rise in the value of 'n' from 4 to 8 in the channel material enhances the ON current (ION), reduces OFF current (IOFF), improves the switching ratio, and reduces threshold voltage (Vth) 29 %, results reduced drain induced barrier lowering (DIBL) in A8 device (GS-GNFET with AGN (n = 8) in channel material) as compared with A4 device having (GS-GNFET with AGN (n = 8) in channel material). The device density of states (DDOS) analysis confirms higher electron occupation and better performance of A8 device compared to A4 device model. The tight-binding Hamiltonian matrix is solved using the HE model and a semiempirical calculator. A 33 % improvement in ON current and a 76 % reduction in OFF current have been recorded in our proposed GS-GNFET device model over conventional GNRFET. Moreover, the A8 device has a very low value of static power (1.69 × 10 – 13 watt) compared to pre-established experimental data recorded through literature survey.