طراحی و ساخت ساختار جدید سنسورهای گاز ترانزیستور تونلی- مغناطیسی (mtt-gs) بر مبنای اسپینترونیک با استفاده از نانولایه ها

در این تحقیق ابتدا سنسور گاز mtt را با استفاده از نرم افزار matlab به نحو مطلوبی مدل سازی نمودیم تا تأثیر برخی از پارامترهای موثر در طراحی این سنسور شامل تراکم گاز، ضخامت سد تونلی پیوند بیس- امیتر و ارتفاع سد شاتکی پیوند کلکتور- بیس را بر روی میزان پاسخ دهی سنسور گاز mtt مورد مطالعه قرار دهیم. یکی از نتایج جالب حاصل از این مدل سازی نشان داد که در تراکمهای خیلی کمِ گاز میزان پاسخ دهی سنسور با سد شاتکی ?cb (ساختار mtt) نسبت به سنسور بدون سد شاتکی (ساختار mtj) به اندازه 13.7 مرتبه افزایش داشته است که حاکی از عملکرد فوق العاده سنسور mtt در تشخیص تراکمهای خیلی کمِ گاز است. از سوی دیگر چنانچه مشاهده شد پاسخ هر دو سنسور mtt و mtj با افزایش مقدار تراکم گاز و یا کاهش ضخامت سد تونلی پیوند بیس- امیتر به میزان قابل توجهی افزایش یافته است. سپس در ادامه یک نمونه سنسور تونلی- مغناطیسی ni/al2o3/ni/n-si با انجام لایه نشانی های ni، al2o3 و ni به روش تبخیر پرتو الکترونی (e-beam) به ترتیب با ضخامتهای ni(nm30)، al2o3(nm10، nm15، nm20 و nm25) و ni(nm50) بر روی نیمه هادی si نوع n ساخته شده و یک پروفایل مغناطیسی مناسب بصورت تابعی از شدت میدان مغناطیسی (h)، دما (t) و مدت زمان (t) جهت مغناطیس کردن لایه های فرومغناطیس ni بیس و امیتر مورد استفاده قرار گرفته است. با ساخت یک سیستم تست گاز جهت بدست آوردن مشخصه های جریان- ولتاژ (i-v) سنسورهای تونلی- مغناطیسی قبل و بعد از حضور گاز هیدروژن، به اندازه گیری تأثیر همان پارامترهای موردنظر (ضخامت سد تونلی پیوند بیس- امیتر، تراکم گاز و ارتفاع سد شاتکی پیوند کلکتور- بیس) بر روی برخی از مشخصه های سنسور شامل میزان پاسخ دهی (حساسیت)، زمان پاسخ دهی و توان مصرفی سنسور پرداختیم. چنانچه مشاهده شد با کاهش ضخامت سد تونلی، میزان پاسخ دهی هر دو سنسور mtt و mtj در مواجهه با تراکم ثابت از گاز هیدروژن افزایش یافته اند، بطوری که مقادیر پاسخ دهی بیشتر برای سنسورهای دارای سد تونلی نازکتر بدست آمده اند. این اندازه گیری ها با نتایج پاسخ دهی حاصل از مدل سازی سنسور مغناطیسی با ضخامتهای مختلف سد تونلی نیز کاملاً مطابقت داشته است. از سوی دیگر دیده شد که با افزایش تراکم گاز هیدروژن، میزان پاسخ دهی هر دو سنسور mtt و mtj با ضخامت سد تونلی یکسان افزایش یافته اند که نتایج مدل سازی سنسور مغناطیسی در پاسخ به تراکمهای مختلف گاز نیز موید آن بوده است. همچنین با توجه به نمودارهای بدست آمده دریافتیم که پاسخ سنسورهای mtt در مقایسه با سنسورهای mtj در تراکم ثابت از گاز هیدروژن و ضخامت سد تونلی یکسان به مراتب بیشتر بوده است. بطور مثال در پاسخ به ppm 1000 هیدروژن میزان پاسخ دهی سنسور mtj با ضخامت سد تونلی nm 10 مقدار %74 بوده است در حالی که این میزان برای سنسور mtt با همان شرایط به مقدار %134 افزایش یافته است (تقریباً معادل 1.8 برابر) که به روشنی عملکرد بهتر سنسور mtt در تشخیص گاز هیدروژن را نشان می دهد و با نتایج پاسخ دهی سنسور حاصل از اثر سد شاتکی که از مدل سازی سنسور مغناطیسی بدست آمده است نیز هم خوانی کامل دارد. پس از بررسی میزان پاسخ دهی سنسورها در ادامه به اندازه گیری زمان پاسخ دهی این سنسورها در دو حالت mtt و mtj با ضخامتهای مختلف سد تونلی و نسبت به تراکمهای مختلف گاز هیدروژن پرداختیم. نتایج اندازه گیری حاکی از آن بوده است که سنسورهای mtt و mtj دارای زمان پاسخ دهی تقریباً یکسانی بوده اند اما با افزایش ضخامت سد تونلی زمان پاسخ دهی سنسور نیز افزایش یافته است بطوری که زمان پاسخ دهی در مواجهه با ppm 1000 هیدروژن از 3.1 ثانیه برای سنسور با ضخامت سد تونلی nm 10 به 5.1 ثانیه برای سنسور با ضخامت سد تونلی nm 25 تغییر کرده است. اندازه گیری زمان بازگشت این سنسورها نیز نشان می دهد سنسور با سد تونلی نازکتر دارای زمان بازگشت کوتاهتری است که در مجموع زمان بازگشت این سنسورها در حدود 4 دقیقه اندازه گیری شده است. در پایان نیز مشاهده شد توان مصرفی هر دو سنسور mtt و mtj با افزایش ضخامت سد تونلی کاهش یافته و در عین حال سنسور mtt دارای توان مصرفی بیشتری در مقایسه با سنسور mtj در یک ضخامت سد ثابت بوده است، بطوری که کمترین توان مصرفی سنسورهای mtt و mtj با ضخامت سد تونلی nm 25 و قبل از اعمال گاز به ترتیب برابر ?w 34 و ?w 23.5 بدست آمد. با اعمال گاز هیدروژن و افزایش تراکم آن، جریان هر یک از سنسورها و در نتیجه توان مصرفی هر دو سنسور mtt و mtj افزایش یافته و همچنین سنسور mtt نسبت به سنسور mtj در یک تراکم ثابت از گاز هیدروژن نیز دارای توان مصرفی بیشتری بوده است. بیشترین توان مصرفی نیز در مواجهه با تراکم ppm 1000 از گاز هیدروژن بدست آمد که برای سنسورهای mtt و mtj به ترتیب برابر ?w 515 و ?w 317 بوده است.