نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
گروه فیزیک مادهچگال، دانشکده علوم پایه، دانشگاه تربیت مدرس، تهران
چکیده
در تحقیق حاضر، از مدل پدیدهشناختی تأخیرفاز دوگانۀ غیرموضعی برای بررسی انتقال حرارت در ترانزیستورهای ماسفت نانومقیاس استفاده شده است. همچنین، ویژگیهای حرارتی مواد مورد مطالعه، یعنی مسیر آزاد میانگین فونونی و همچنین رسانشگرمایی وابسته به اندازه درنظر گرفته شدهاند. در اینجا، مواد شبهیکبعدی تریسولفیدتیتانیوم و ایندیومسلناید که به تازگی مورد توجه قرار گرفتهاند برای جایگزینی کانال سیلیکونی در ترانزیستورها پیشنهاد شدهاند، وهمچنین نانولولۀکربن مورد بررسی قرار گرفتهاند. معادلات غیرموضعی انتقال حرارت برای بررسی رفتارحرارتی در سیلیکون نیز مورد استفاده قرارگرفتهاند و نتایج بهدستآمده با نتایج مربوط به مواد دیگر مقایسه شدهاند. ابتدا خواص حرارتی برای همۀ مواد مورد مطالعه، ثابت و سپس وابسته به اندازه درنظر گرفتهشدهاند. در حالت خواص ثابت، برای همۀ کانالهای بررسی شده به غیر از نانولولۀکربن، بیشینۀ دما تقریباً یکسان است ولی سرعت انتشار اثرات ناحیۀ گرم و بالتبع افزایش دما در طول ماده برای سیلیکون با رسانندگی حرارتی بالا بیشتر است. این مورد همچنین برای نانولولۀکربن نیز دیده میشود با این تفاوت که این ماده دمای بیشینۀ پایینتری را تجربه میکند. این درحالی است که به ترتیب فقط یکچهارم و یکدوم طول مادههای شبهیکبعدی ایندیومسلناید و تریسولفیدتیتانیوم حرارت را لمس کردهاند. بنابراین حالت پایدار برای این دو مادۀ شبهیکبعدی نیز دیرتر اتفاق میافتد و به لحاظ پخش حرارتی این دوماده برتری نسبت به سیلیکون ندارند و برای استفاده از این دو ماده به جای کانال سیلیکونی باید از منتشرکنندههای حرارتی استفاده کرد. با درنظرگرفتن ویژگیهای وابسته به اندازه، باوجود این که بیشینۀ دما به جز در نانولولۀکربن تغییر خاصی نمیکند، اما در تمام طول کانال، دما و شارحرارتی کاهش مییابند این کاهش دما به ترتیب در نانولولۀکربن و مادۀ سیلیکون که مسافت آزاد میانگین فونونی بزرگتری دارند چشمگیرتر است. دلیل آن تأثیر مستقیم افزایش این پارامتر بر میزان تغییرات مسافت آزاد میانگین مؤثر و رسانندگیگرمایی است. نتایج به دست آمده اهمیت درنظرگرفتن همزمان اثرات غیرموضعی و تأخیری همراه با خواص حرارتی وابسته به اندازه را در دستیابی به نتایج دقیق توزیعهای دمایی و حرارتی در داخل ترانزیستورها نشان میدهد.
کلیدواژهها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
Size effects on non-local heat transfer in one-dimensional and quasi-one-dimensional MOSFET channels
نویسندگان [English]
- Roya Baratifarimani
- Zahra Shomali
Department of Condensed Matter Physics, Faculty of Basic Sciences, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده [English]
In the present study, the nonlocal dual phase lag phenomenological model is used to study heat transport in nanoscale MOSFET transistors. Also, the thermal properties of the studied materials, namely the phonon mean free path and the size-dependent thermal conductivity, are considered. Here, the quasi-one-dimensional materials of Titanium Trisulfide and Indium Selenide, which have recently been proposed as interesting replacements for the silicon channels in transistors, and carbon nanotubes are studied. The nonlocal heat transfer framework is also used to study the thermal behavior in silicon and the results obtained, are compared with those of the other materials. First, the thermal properties are assumed to be constant for all the materials and then, their size-dependency is taken into account. In the case of constant properties, for all the channels except the carbon nanotubes, the maximum temperature is almost the same, but the speed of propagation of hot spot effects and consequently the temperature increase along the length of the material is higher for silicon with higher thermal conductivity. This is also seen for carbon nanotubes, with the difference that this material experiences a lower maximum temperature. Only one-quarter and one-half of the length of the quasi-one-dimensional materials indium selenide and titanium trisulfide, respectively, have been affected through the heating zone. Therefore, the steady- state also occurs later for these two quasi-one-dimensional materials. In terms of thermal diffusion, these two materials are not superior to silicon, and thermal diffusers must be used in order to utilize these two materials instead of silicon channels.Considering the size-dependent properties, although the maximum temperature does not change significantly except in carbon nanotubes, the temperature and heat flux decrease throughout the channel length. This temperature decrease is more significant in carbon nanotubes and silicon materials, which have larger phonon mean free distance, respectively. The reason for this is the direct effect of increasing this parameter on the rate of change of the effective mean free distance and thermal conductivity. The obtained results show the importance of simultaneously considering non-local and phase lag effects alongside the size-dependent thermal properties to obtain accurate results for temperature and thermal distributions inside the transistors.
کلیدواژهها [English]
- Micro/nanoscale heat transport
- Dual phase lag model
- Thermal management
- Quasi-one-dimensional materials
- T Klitsner, et al., Pohl, Phys. Rev. B 38 (1988) 7576.
- K Schwab, et al., Nature 404 (2000) 974.
- P G Sverdrup, et al., Phys. Lett. 78 (2001) 3331.
- H Y Chiu, et al., Rev. Lett. 95 (2005) 226101.
- M E Siemens, et al. Mater. 9 (2010) 26.
- L G C Rego and G Kirczenow, Rev. Lett. 81 (1998) 232.
- G Chen, Rev. Lett. 86 (2001) 2297.
- G Chen, Rev. B 57 (1998) 14958.
- N Mingo and D A Broido, Rev. Lett. 95 (2005) 096105.
- J Wang and J S Wang, Phys. Lett. 88 (2006) 111909.
- B C Larson, J Z Tischler, and D M Mills, Mater. Res. 1 (1986) 144.
- G D Mahan and F Claro, Rev. B 38 (1988) 1963.
- A J Minnich, et al., Rev. B 84 (2011) 235207.
- D Ding, X Chen, and A J Minnich, Phys. Lett. 104 (2014) 143104.
- J Ghazanfarian and A Abbassi, J. Heat Mass Transfer 52, 15-16 (2009) 3706.
- DY Tzou, ASME J. Heat Transfer 117 (1995) 8.
- M Chester, Rev. 131 (1963) 2013.
- F Reif, ‟Fundamentals of Statistical and Thermal Physics”, McGraw-Hill, London (1985).
- P Chantrenne and J L Barrat, Superlattice Microst. 35 (2004) 173.
- P K Schelling, S R Phillpot, and P Keblinski, Rev. B 65 (2002) 144306.
- R Barati and Z Shomali, Case Stud. Therm. Sci. 54 (2024) 104015.
- W Dai, et al., J. Heat Mass Transfer 47 (2004) 1817.
)