Temperature Characteristics of Silicon Nanowire Transistor Depending on Oxide Thickness

Abstract

Серед різних методів зондування та моніторингу датчики на основі на польових транзисторів (FET), привернули значну увагу як з боку промисловості, так і з академічних кіл. Завдяки своїм унікальним характеристикам, таким як невеликі розміри, легка вага, низька вартість, гнучкість, швидка реакція, стабільність і можливість подальшого зменшення масштабу, кремнієвий нанопровідний транзистор (SiNW-FET) може служити ідеальним наносенсором. Це найбільш імовірний наступник нанорозмірних пристроїв на базі FET. Однак, оскільки розміри (довжина та діаметр) каналу SiNWT зменшуються, електричні та температурні характеристики SiNWT повинні змінитися, тим самим погіршуючи роботу транзистора. Хоча застосування SiNWT як біологічних та/або хімічних сенсорів широко вивчено в літературі, менше уваги було приділено використанню таких транзисторів як датчиків температури. Отже, ця робота присвячена дослідженню температурної чутливості SiNWT в залежності від товщини оксидного каналу, а також представляє можливість використання його як нанотемпературного датчика. Інструмент моделювання MuGFET був використаний для дослідження температурних характеристик нанодроту. Моделювалися вольт-амперні характеристики з різними значеннями температури і з різною товщиною затворів нанодротів (товщина оксиду TOX = 1, 2, 3, 4 і 5 нм). Для вимірювання температурної чутливості SiNWT було запропоновано підключення до діодного режиму металоксидного напівпровідника (MOS). Було досліджено кілька робочих напруг (від 0.25 до 5 В) з різною робочою температурою (250-450 K). Отримані результати показують, що найвища температурна чутливість досягалася за рахунок збільшення товщини оксиду до 5 нм. Вплив розглянутої температури на характеристики SiNWT свідчить про можливість його використання як наносенсора температури.

Among various sensing and monitoring techniques, sensors based on field effect transistors (FETs) have attracted considerable attention from both industry and academia. Owing to their unique characteristics such as small size, light weight, low cost, flexibility, fast response, stability, and ability for further downscaling, silicon nanowire field effect transistor (SiNW-FET) can serve as an ideal nanosensor. It is the most likely successor to FET-based nanoscale devices. However, as the dimensions (channel length and diameter) of SiNWT channel are shrinking down, electrical and temperature characteristics of SiNWTs should be affected, thereby degrading transistor performance. Although applications of SiNWTs as biological and/or chemical sensors have been extensively explored in the literature, less attention has been devoted to utilize such transistors as temperature sensors. Therefore, this paper characterizes the temperature sensitivity of SiNWT depending on the channel oxide thickness and also presents the possibility of using it as a nano-temperature sensor. The MuGFET simulation tool was used to investigate temperature characteristics of the nanowire. Current-voltage characteristics with different values of temperature and with different thickness of the nanowire gate (oxide thickness (TOX) = 1, 2, 3, 4, and 5 nm), were simulated. Metaloxide-semiconductor (MOS) diode mode connection was suggested for measuring the temperature sensitivity of SiNWT. Several operating voltages (0.25 to 5 V) with various working temperature (250 to 450 K) were investigated. The obtained results show that the highest temperature sensitivity was achieved by increasing oxide thickness to 5 nm. The impact of the considered temperature on SiNWT characteristics demonstrates the possibility of utilizing it as a temperature nanosensor.