در این رساله، ترانزیستورهای اثر میدان تونلی (TFET) با استفاده از نیمه‌هادی‌های دوبعدی مولیبدنیوم دی‌سولفاید (MoS2) و تنگستن دی‌تلرید (WTe2) طراحی و شبیه‌سازی شده‌اند. این مواد دوبعدی از خانواده دی کالکوژنیدهای فلزات واسطه با آرایش شیمیایی MX2، به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد الکترونیکی، ثابت دی الکتریک نسبتا کم (کمتر از 5/7)، انتخاب شده‌اند که به دلیل ضخامت اتمی کم و شکاف نواری مستقیم، پتانسیل بالایی برای ساخت ترانزیستورهای نانومقیاس با عملکرد مناسب دارند. با توجه به محدودیت‌های روش‌های متداول ناخالص‌سازی شیمیایی، از رویکرد ناخالص‌سازی الکترواستاتیک استفاده شده است. همچنین برای کنترل دقیق‌تر ناحیه کانال، از ساختار دو‌گیتی با عایق گیت ناهمگون شامل HfO2 (با ثابت دی‌الکتریک 25) برای گیت کانال و SiO2 (با ثابت دی‌الکتریک 3.9) برای گیت‌های سورس و درین بهره گرفته شده است. این رویکرد مزایای متعددی همچون کنترل دقیق‌تر چگالی حامل‌ها، قابلیت بازگشت‌پذیری و توزیع یکنواخت‌تر حامل‌ها را فراهم می‌کند. برای کاهش جریان نشتی، از ناخالص‌سازی الکترواستاتیک نامتقارن سورس و درین استفاده شده که منجر به حذف مؤلفه جریان دو-قطبی و کاهش جریان تونلی در حالت خاموش می‌شود و جهت دستیابی به ساختاری متقارن و کاهش فضای اشغال شده در مدارات مجتمع، طراحی به‌گونه‌ای انجام شده که امکان استفاده از تنها دو منبع ولتاژ تغذیه میسر گردد. مطالعه فواصل بین گیت‌های میانی و کناری نشان داد که فاصله یک نانومتر در تمامی طول‌های کانال، عملکرد برتری نسبت به فاصله دو نانومتر دارد. این برتری به‌ویژه در پارامترهای نسبت جریان روشن به خاموش و ترارسانایی کانال مشهود است. نتایج شبیه‌سازی ما در این رساله، دستاوردهای چشمگیری را آشکار ساخته است: - ترانزیستور TFET مبتنی بر MoS2 با طول کانال 10 نانومتر، به نسبت جریان روشن به خاموش فوق‌العاده بالای 1015× 9/1، و توان استاتیکی بسیار پایین 14-10×4/1و شیب زیرآستانه 8.9 میلی‌ولت بر دهه (که نسبت به حد فیزیکی در ترانزیستورهای ماسفت بسیار پایینتر است) دست یافتهاست. - ترانزیستور TFET مبتنی بر WTe2 با طول کانال 10 نانومتر، ترارسانایی بسیار بالای 4012 میکروسیمنس بر میکرومتر و تأخیر ذاتی بسیار پایین 12/0 پیکوثانیه را نشان می‌دهد. - در طول کانال 3 نانومتر، ترانزیستورهای طراحی شده سوئیچینگ سریع و اتلاف توان بسیار پایینی دارند. - پایداری عملکردی در دمای بالا تا 500 کلوین مشاهده شده‌است. مقایسه تطبیقی نشان می‌دهد که TFET پیشنهادی مبتنی بر MoS2 با پایداری دمایی بالاتر و حفظ نسبت جریان روشن به خاموش در طول‌های کانال کوتاه، گزینه‌ای مطلوب برای کاربردهای کم‌مصرف است. در مقابل، TFET پیشنهادی مبتنی بر WTe2 با جریان روشن بالاتر و تأخیر ذاتی کمتر، برای کاربردهای نیازمند سرعت بالا مناسب‌تر است. این دستاوردها نشان می‌دهد که TFET های پیشنهادی پتانسیل بالایی برای کاربردهای آینده در الکترونیک کم‌مصرف و پرسرعت و غلبه بر محدودیت‌های ترانزیستورهای MOSFET سنتی و فناوری‌های موجود دارند و می‌توانند راه گشای نسل جدیدی از افزاره‌های الکترونیکی با کارایی بالاتر، مصرف انرژی کمتر و ابعاد کوچک‌تر باشند. این پیشرفت‌ها می‌تواند تأثیر عمیقی بر آینده صنایع الکترونیک، ارتباطات و محاسبات داشته باشد.

Keywords