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Simulation eines Siliziumnanodrahtes
Am ITHE ist ab sofort eine Bachelor-/Master-/Diplomarbeit mit dem Titel
Simulation eines Siliziumnanodrahtes
zu vergeben.
Wir suchen hochmotivierte Studenten der Elektrotechnik, die Interesse an folgenden Themen haben:
- Halbleiterphysik
- Numerik
- Hochleistungsrechnen
Die moderne Bauelementsimulation ist ein wichtiger Forschungszweig bei der Entwicklung und Verbesserung von elektronischen Bauelementen. Einerseits können mit Hilfe elementarer physikalischer Zusammenhänge bestehende Bauelemente simuliert werden, um ein bestimmtes charakteristisches Verhalten auf einzelne physikalische Prozesse zurückzuführen. Andererseits ist es auch möglich, eine Vielzahl von neuartigen Bauelementen in kurzer Zeit zu simulieren, um die langwierigen und kostspieligen Testreihen für Neuentwicklungen zu verkürzen oder Hinweise für Verbesserungen zu geben. Insofern spielt die Bauelementsimulation nicht nur eine Rolle für CMOS-Transistoren, sondern ist auch wichtiger Bestandteil bei der Erforschung sämtlicher anderer Bauelemente wie z.B. Leistungstransistoren, die in der Energietechnik oder in der Automobilindustrie Verwendung finden.
Seit der Erfindung des MOSFET und seiner Verwendung in CPUs wurde stets das Ziel verfolgt, sowohl die Schaltgeschwindigkeiten zu erhöhen und die damit einhergehenden An-/Aus-Charakteristiken zu optimieren, als auch die Leckströme zu verringern. Dies konnte fast ausschließlich durch eine Miniaturisierung der MOSFETs erreicht werden. Moderne CPUs bestehen aus Milliarden von Transistoren, deren kleinste Strukturen weniger als 30nm groß sind. Dieser Trend kann jedoch nicht beliebig fortgesetzt werden, da ab bestimmten Größen Quanteneffekte die Leckströme erhöhen und auch bei der Herstellung Ungenauigkeiten im Dotierstoffprofil die Transistoren unbrauchbar machen. Die bisher üblichen planaren MOSFETs lassen sich nicht weiter verkleinern als bis zum jetzigen 32nm-Technologieknoten. Andere Arten von MOSFETs, wie die für 2012 geplanten FinFETs von Intel, können voraussichtlich auch nur bis zum 16nm-Technologieknoten erfolgreich verwendet werden.
Eine Alternative zum bisher verwendeten MOSFET ist es, diesen durch einen Siliziumnanodraht, der von einem Gate eingeschlossen wird, zu ersetzen. Diese Nanodraht-FETs sind bereits mit einem Durchmesser von 3nm gefertigt worden und besitzen vielversprechende Eigenschaften. Zum einen die geringe Größe und somit kurze Schaltzeiten. Zum anderen kann Silizium ohne Dotierstoffprofil verwendet werden, da das Gate im Nanodraht-FET sämtliche Aufgaben des Dotierstoffprofils von üblichen MOSFETs übernimmt.
Mit Hilfe atomarer Eigenschaften des Siliziums kann der Transport von Elektronen in Siliziumnanodrähten simuliert werden. Aufgrund des geringen Durchmessers der Nanodrähte sind Quanteneffekte zu berücksichtigen, daher muss die Schrödingergleichung gelöst werden, um die korrekte Elektronenverteilung im Querschnitt zu erhalten. Für den Transport der Elektronen entlang des Drahtes kann hingegen die semiklassische Boltzmanngleichung benutzt werden.
Ziel der Arbeit ist es, je nach Dauer, mindestens die Schrödingergleichung numerisch zu lösen und einen Einblick in die moderne Bauelementsimulation zu bekommen. Zur Berechnung wird auf einem bereits bestehenden FORTRAN-Programm aufgebaut und es stehen Hochleistungsrechner zur freien Verfügung. Vorkenntnisse in FORTRAN, numerischer Mathematik und Halbleiterphysik sind nicht erforderlich. Die Arbeit wird intensiv betreut, um den Erfolg zu garantieren, allerdings wird Selbständigkeit und die Motivation, neue Sachverhalte zu lernen vorausgesetzt.