Graphene is one of the most investigated two-dimensional materials of the last decade. Due to its large carrier mobility and saturation velocity, it has been intensively studied as a potential replacement for Si in electronics. Indeed, the scaling of Si devices is reaching its limits and the search for new materials and architectures is underway. However, there are many obstacles in the application of graphene in electronics. Most importantly, graphene does not have a bandgap and, consequently, graphene field-effect transistors (GFETs) cannot be turned off. This prevents the application of GFETs in digital electronics because GFETs always dissipate static power, in contrast to Si transistors in complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. On the other hand, GFETs have some advantages over Si transistors. One of them is the ambipolar electric field-effect: a GFET can behave either as a n-doped or a p-doped transistor, depending on its biasing. This property allows to simplify the design of logic gates traditionally used in Si transistor technology. Such logic gates can be used together with conventional Si CMOS logic gates to realize hybrid graphene-CMOS circuits which would be more complex if realized only in Si CMOS technology. The aim of this thesis, which was done at the L-NESS Como, is to demonstrate the operation of two hybrid graphene-CMOS circuits. After a brief introduction on graphene and its applications in digital electronics, the main text describes the graphene resistor-transistor logic gates and the fabrication and characterization of the two hybrid circuits. The first circuit is a single-dual edge triggered flip-flop realized with a few components. Depending on the input control bit, it works either as a single or dual edge triggered flip-flop. The second circuit is an astable oscillator that consists only of a Si CMOS latch and a GFET. It can be employed as a voltage controlled oscillator and pulse width modulator. These circuits represent two examples of how the ambipolarity of graphene can be successfully combined with the reliability of Si CMOS to realize very efficient hybrid electronic circuits.

Il grafene è uno dei materiali bidimensionali più studiati degli ultimi anni: infatti, grazie alle sue incredibili proprietà elettroniche, tra cui mobilità dei portatori e velocità di saturazione, è stato considerato come un potenziale sostituto al silicio in elettronica. Infatti, la riduzione delle dimensioni dei dispositivi elettronici sta raggiungendo i suoi limiti e la necessità di nuovi materiali diventa sempre più incalzante. Tuttavia, il grafene presenta molti problemi, tra cui l'assenza di un bandgap di energia. Infatti, i transistor in grafene (GFETs) non possono essere spenti e questo rende impossibile un loro utilizzo nell'elettronica digitale, a causa della potenza statica dissipata, che è invece idealmente nulla nei transistor in silicio. Ad ogni modo, l'assenza di un bandgap presenta anche alcuni vantaggi. Uno di questi è la conduzione ambipolare: un GFET può comportarsi alternativamente come un transistor drogato n o p, in base alla tensione di bias. Questa proprietà permette di progettare una nuova porta logica che potrebbe essere usata per realizzare circuiti ibridi grafene-CMOS che presentano nuove funzionalità, le quali necessiterebbero di circuiti molto più complessi se realizzati solo con transistor al silicio. Lo scopo di questa tesi, condotta presso L-NESS Como, è la dimostrazione di due di questi circuiti ibridi. Dopo una breve introduzione sul grafene e le sue applicazioni nell'elettronica digitale, il testo principale descriverà la nuova porta logica in grafene e la fabbricazione e caratterizzazione dei due circuiti ibridi. Il primo circuito è un single-dual edge triggered flip-flop che, in base al valore di un input di controllo, commuta stato su una o su entrambe le transizioni di stato del segnale di clock. Il secondo circuito è un oscillatore astabile realizzato impiegando esclusivamente un GFET e un latch Si CMOS e i cui duty-cycle e frequenza possono essere controllati in tensione. Questi circuiti rappresentano due esempi di come l'ambipolarità del grafene può essere unita con l'affidabilità del silicio per realizzare circuiti ibridi più efficienti.

Applications of resistor-transistor logic in hybrid graphene-CMOS digital circuits

GILARDI, CARLO
2016/2017

Abstract

Graphene is one of the most investigated two-dimensional materials of the last decade. Due to its large carrier mobility and saturation velocity, it has been intensively studied as a potential replacement for Si in electronics. Indeed, the scaling of Si devices is reaching its limits and the search for new materials and architectures is underway. However, there are many obstacles in the application of graphene in electronics. Most importantly, graphene does not have a bandgap and, consequently, graphene field-effect transistors (GFETs) cannot be turned off. This prevents the application of GFETs in digital electronics because GFETs always dissipate static power, in contrast to Si transistors in complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. On the other hand, GFETs have some advantages over Si transistors. One of them is the ambipolar electric field-effect: a GFET can behave either as a n-doped or a p-doped transistor, depending on its biasing. This property allows to simplify the design of logic gates traditionally used in Si transistor technology. Such logic gates can be used together with conventional Si CMOS logic gates to realize hybrid graphene-CMOS circuits which would be more complex if realized only in Si CMOS technology. The aim of this thesis, which was done at the L-NESS Como, is to demonstrate the operation of two hybrid graphene-CMOS circuits. After a brief introduction on graphene and its applications in digital electronics, the main text describes the graphene resistor-transistor logic gates and the fabrication and characterization of the two hybrid circuits. The first circuit is a single-dual edge triggered flip-flop realized with a few components. Depending on the input control bit, it works either as a single or dual edge triggered flip-flop. The second circuit is an astable oscillator that consists only of a Si CMOS latch and a GFET. It can be employed as a voltage controlled oscillator and pulse width modulator. These circuits represent two examples of how the ambipolarity of graphene can be successfully combined with the reliability of Si CMOS to realize very efficient hybrid electronic circuits.
PEDRINAZZI, PAOLO
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
21-dic-2017
2016/2017
Il grafene è uno dei materiali bidimensionali più studiati degli ultimi anni: infatti, grazie alle sue incredibili proprietà elettroniche, tra cui mobilità dei portatori e velocità di saturazione, è stato considerato come un potenziale sostituto al silicio in elettronica. Infatti, la riduzione delle dimensioni dei dispositivi elettronici sta raggiungendo i suoi limiti e la necessità di nuovi materiali diventa sempre più incalzante. Tuttavia, il grafene presenta molti problemi, tra cui l'assenza di un bandgap di energia. Infatti, i transistor in grafene (GFETs) non possono essere spenti e questo rende impossibile un loro utilizzo nell'elettronica digitale, a causa della potenza statica dissipata, che è invece idealmente nulla nei transistor in silicio. Ad ogni modo, l'assenza di un bandgap presenta anche alcuni vantaggi. Uno di questi è la conduzione ambipolare: un GFET può comportarsi alternativamente come un transistor drogato n o p, in base alla tensione di bias. Questa proprietà permette di progettare una nuova porta logica che potrebbe essere usata per realizzare circuiti ibridi grafene-CMOS che presentano nuove funzionalità, le quali necessiterebbero di circuiti molto più complessi se realizzati solo con transistor al silicio. Lo scopo di questa tesi, condotta presso L-NESS Como, è la dimostrazione di due di questi circuiti ibridi. Dopo una breve introduzione sul grafene e le sue applicazioni nell'elettronica digitale, il testo principale descriverà la nuova porta logica in grafene e la fabbricazione e caratterizzazione dei due circuiti ibridi. Il primo circuito è un single-dual edge triggered flip-flop che, in base al valore di un input di controllo, commuta stato su una o su entrambe le transizioni di stato del segnale di clock. Il secondo circuito è un oscillatore astabile realizzato impiegando esclusivamente un GFET e un latch Si CMOS e i cui duty-cycle e frequenza possono essere controllati in tensione. Questi circuiti rappresentano due esempi di come l'ambipolarità del grafene può essere unita con l'affidabilità del silicio per realizzare circuiti ibridi più efficienti.
Tesi di laurea Magistrale
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