Ρεύματα εντός νανοηλεκτρονικών αισθητήρων και νανοηλεκτρονικών τρανζίστορ κενού

Τσαγκαράκης, Μενέλαος; Tsagkarakis, Menelaos

dc.contributor.author	Τσαγκαράκης, Μενέλαος	el
dc.contributor.author	Tsagkarakis, Menelaos	en
dc.date.accessioned	2020-06-17T06:09:22Z
dc.date.available	2020-06-17T06:09:22Z
dc.date.issued	2020-06-17	en
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/50788
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.18486
dc.description.abstract	Οι περισσότερες εφαρμογές εκπομπής πεδίου μέχρι στιγμής σχετίζονται με επίπεδες επιφάνειες εκπομπής και σχεδόν μονοδιάστατα δυναμικά. Ωστόσο, με την έλευση της νανοτεχνολογίας και την κατασκευή νανοσωλήνων άνθρακα και ακίδων-εκπομπών με ακτίνα καμπυλότητας επιπέδων νανομέτρου, προέκυψε η ανάγκη για την περιγραφή τέτοιων εφαρμογών, και ειδικά όταν εμπλέκεται ένα πολυδιάστατο ηλεκτροστατικό δυναμικό, με μία αριθμητική θεωρία WKB με αρκετά μεγαλύτερη ακρίβεια από την παραδοσιακή θεωρία Fowler-Nordheim που ισχύει μόνο για επίπεδες επιφάνειες. Αυτός είναι ο βασικός στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής. Έχουμε εξετάσει δύο τέτοιες εφαρμογές: τα τρανζίστορ κενού με νανομετρικούς εκπομπούς και συλλέκτες που μάλιστα έχουν ανακαλυφθεί πρόσφατα και τους αισθητήρες καταπόνησης (μηχανικής τάσης) με νανοσωλήνες άνθρακα μέσα σε ένα διηλεκτρικό μέσο. Και στις δύο περιπτώσεις η αιχμηρή νανομετρική επιφάνεια αναπαρίσταται από έναν αριθμό σφαιρών. Το πλεονέκτημα μίας τέτοιας προσέγγισης είναι ότι η εξίσωση Laplace μπορεί να λυθεί με ακρίβεια χωρίς την ανάγκη πεπερασμένων διαφορών ή στοιχείων. Εν συνεχεία προσθέτουμε στο ηλεκτροστατικό δυναμικό το σφαιρικό εικονικό δυναμικό και το άθροισμα είναι το δυναμικό σήραγγας με πολυδιάστατη προσέγγιση WKB. Από αυτό υπολογίζουμε το συντελεστή διάδοσης και τελικά το ρεύμα. Στην περίπτωση των αισθητήρων μηχανικής τάσης και λόγω της διαδικασίας τυχαίας κατανομής, οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι σε διάφορες γωνίες και σχηματισμούς μεταξύ τους και παράγουν ένα τρισδιάστατο δυναμικό. Εν συνεχεία δείξαμε ότι τα ρεύματα σήραγγας μεταξύ ενός ζεύγους από νανοσωλήνες εξαρτώνται σημαντικά από τη σχετική τους γωνία και σχηματισμό. Συγκεκριμένα δείξαμε ότι τα ρεύματα σήραγγας δεν προκύπτουν μόνο κατά μήκος των άκρων μεταξύ των νανοσωλήνων, αλλά υπάρχουν και άλλα πιο αποδοτικά μονοπάτια, τα οποία δίνουν ρεύμα υψηλότερο μέχρι και δύο τάξεις μεγέθους απ’ ότι υπολογίζει η απλή μονοδιάστατη μέθοδος. Αντίθετα, το ρεύμα σήραγγας μεταξύ νανοσωλήνων που βρίσκονται σε διαφορετικά επίπεδα είναι αμελητέο. Καταλήγουμε στο ότι τέτοια φαινόμενα δεν μπορούν να περιγραφούν από την απλή μονοδιάστατη θεωρία WKB και επιπρόσθετα το απαραίτητο κατώφλι για την αγωγιμότητα μπορεί να είναι μικρότερο από αυτό που μπορεί να προβλέψει η θεωρία αυτή. Στο δεύτερο μέρος υπολογίσαμε τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά ενός τρανζίστορ κενού με αιχμηρό πομπό και συλλέκτη με ακτίνα καμπυλότητας R <20nm, με στόχο να αποκαλύψουμε τα πλεονεκτήματα αυτού του είδους των εκπομπών. Για τέτοιες επιφάνειες δεν ισχύει η παραδοσιακή θεωρία Fowler-Nordheim που περιγράφει μία διάταξη με παράλληλες πλάκες. Χρησιμοποιήσαμε μια τρισδιάστατη θεωρία WKB ικανή να υπολογίσει την κατανομή του ρεύματος στο χώρο. Έχουμε δείξει ότι για τιμές ακτίνας εκπομπού σε εύρος μερικών νανόμετρων η πυκνότητα ρεύματος περικλείεται μέσα σε κώνο με γωνία περίπου 6°-16°, ελαχιστοποιώντας έτσι τις απώλειες του ρεύματος. Υπολογίστηκαν οι χαρακτηριστικές Id-Vd και βρέθηκε ότι παρουσιάζουν εκθετική συμπεριφορά και μία περιοχή κορεσμού που καλύπτει ρεύματα από 10^(-14) Α έως 10^(-6) Α μόνο με μεταβολή στην τάση πύλης Vg κατά 2 Volts, δηλ. παρουσιάζουν μια εξαιρετική διαγωγιμότητα.	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Νανοσωλήνες άνθρακα	el
dc.subject	Fowler-Nordheim	el
dc.subject	Εκπομπή πεδίου	el
dc.subject	Αισθητήρας μηχανικής τάσης	el
dc.subject	Τρανζίστορ κενού	el
dc.subject	Carbon nanotubes	en
dc.subject	CNT	en
dc.subject	WKB	en
dc.subject	Field emission	en
dc.subject	Tensile strength sensor	en
dc.subject	Vacuum transistor	en
dc.title	Ρεύματα εντός νανοηλεκτρονικών αισθητήρων και νανοηλεκτρονικών τρανζίστορ κενού	el
dc.contributor.department	Τομέας Ηλεκτρομαγνητικών Εφαρμογών Ηλεκτροοπτικής και Ηλεκτρονικών Υλικών	el
heal.type	doctoralThesis
heal.secondaryTitle	Tunneling currents inside nanoelectronic strain sensors and vacuum transistors	en
heal.classification	Νανοηλεκτρονικές διατάξεις	el
heal.classification	Nanoelectronic devices	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-01-30
heal.abstract	Most applications of field emission have so far involved planar emitting surfaces and approximately 1-dimensional potentials. However, with the advent of nanotechnology and the fabrication of carbon nanotubes and emitting tips of nanometer radius of curvature, the need has arisen for the description of such applications –where a multi-dimensional electrostatic potential is involved by a numerical WKB theory of much greater accuracy than the traditional Fowler-Nordheim, which is valid only for planar surfaces. This is the basic aim of this doctoral thesis. We have examined two such applications, the recently invented vacuum transistors with nanometric emitters and collectors and the strain sensors with carbon nanotubes immersed in a dielectric medium. In both cases the sharp pointed emitting nanometric surface was represented by a collection of spheres. The advantage of such representation is that the Laplace equation could accurately be solved without the need of finite differences or elements. The spherical image potential was then added to the calculated electrostatic potential and the sum was used as the tunneling potential in multidimensional WKB approximation which was implemented numerically to calculate the transmission coefficient and finally the current.	en
heal.advisorName	Ξανθάκης, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Ξανθάκης, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Αβραμόπουλος, Ηρακλής	el
heal.committeeMemberName	Γλύτσης, Ηλίας	el
heal.committeeMemberName	Φικιώρης, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Ρουμελιώτης, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Σωτηριάδης, Παύλος-Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Normand, Pascal	en
heal.academicPublisher	Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	126
heal.fullTextAvailability	false