- Hình 1.15 g, h: Sự kết tinh lại xâm thực ảnh TEM của sản phẩm ( các cột
GIỚI THIỆU TRANSISTOR TRƯỜNG DÙNG ỐNG NANO CACBON (CNTFET)
2.1.1 Sơ lược về transistor trường ống nano cacbon
Transistor hiệu ứng trường hoặc FET là thiết bị điều khiển điện áp. Các đặc tuyến đầu ra của FET được điều khiển bởi điện áp vào chứ không phải dòng điện vào.
Khi thế máng nguồn, Vd được áp vào, điện từ đi từ nguồn qua kênh tới máng. Dòng điện của điện tích trong lớp đảo là hằng số, lần lượt là hàm của điện trường thẳng đứng. Thuật ngữ khái niệm hiệu ứng trường là dòng được điều khiển bởi điện trường vuông góc với dòng điện tích.
Trong FET, vật liệu kết nối giữa nguồn với máng gọi là “kênh“. Lúc vật liệu kênh n gọi là FET kênh n, dòng là dòng điện tử chạy qua kênh. Vật liệu kiểu p, thì FET gọi là FET kênh p, dòng là do lỗ trống di chuyển qua kênh (Hình 2.1).
Hình 2.1 – Sơ đồ FET thông thường kênh n và p
Một thông số cơ bản của FET hay MOSFET là thế ngưỡng VT. Nếu cổng nguồn bé hơn thế ngưỡng, Transistor sẽ ngắt toàn bộ và dòng sẽ là zero. Nếu thế cổng lớn hơn thế ngưỡng, lớp đảo được tạo thành và dòng được tạo ra.
Hình 2.2 (a) MOSFET trạng thái off . (b) MOSFET trạng thái on .
Đối với linh kiện kích thước nano, FET dùng ống nano cacbon làm kênh dẫn . Thông thường người ta chọn ống nano cacbon dạng zic zắc và đồng trục để làm kênh dẫn cho FET, do ống đồng trục có cấu trúc vật lý đối xứng nhau nên dễ dàng khảo sát điện tử đi qua kênh dẫn. Transistor trường loại này gọi là CNTFET (Carbon Nanotube field – effect Transistor).
Với : S : Nguồn (Source) G : Cổng (Gate) và D: M áng (Drain)
Hình 2.4 Transistor dùng ống CNT làm kênh dẫn
Hình 2.5 Mô hình của CNTFET kênh N
Khi giữa cực nguồn và máng của một điện thế, dòng điện từ cực này chạy qua cực kia, thay đổi, biến thiên phụ thuộc vào điện thế tác dụng lên cực cổng. Điện thế này gây ra điện trường làm thay đổi tính dẫn điện của lớp bán dẫn ở dưới cực cổng. Điện thế này gây ra một điện trường làm thay đổi tính dẫn điện của lớp bán
dẫn ở dưới cực cổng và sự thay đổi làm cho transistor đơn tường có tác dụng khuếch đại rất mạnh. Kích thước nhỏ nhất của CNTFET cũng phải cỡ micromet hoặc thấp hơn.
Nếu ống CNT là bán dẫn, thì transistor có thể làm việc ở nhiệt độ thường và dòng điện đóng mở đến 1 triệu lần (106), dùng trong các trường hợp có đóng mở cực cao.
Nếu ống CNT là kim loại, cấu tạo của Transistor trường với ống Nano có thể cho phép phát hiện nhiều hiệu ứng lượng tử vì ống CNT dẫn điện gần như là một dây lượng tử [4].
Để hiểu thêm về tính năng của CNTFET, ta có thể so sánh với MOSFET như sau:
Thành công từ công nghệ Silic hiện đại là nhờ mở rộng MOSFET. Kênh của MOSFET có thể xem như là một hệ thống 2 – D, chuyển động của điện tử không hạn chế, nhưng do điện trường cổng cao, cho nên việc chuyển động vuông góc tới mặt phẳng cổng được lượng tử hóa bằng việc hình thành các vùng nhỏ, kênh dẫn có thể xem là khí điện tử 2 –D. [3]
Ống CNT bán dẫn có thể hoạt động trong cấu hình điện cực cổng giống với MOSFET silic. Các điện tử được định vị lại thành hệ thống các điện tử π có độ dẫn điện cao. Nhưng không giống trong MOSFET silic, hệ thống điện tử này của ống Nano là 1 – D, nghĩa là phương trình chuyển động điện tử dạng một chiều, một thứ nguyên. Khi đặt một điện trở cạnh ống nano cacbon, ta có thể chi phối độ dẫn của nó bằng cách tích lũy hay làm nghèo điện tử làm cho mật độ điện tử không quá cao.
Cấu hình này, gọi CNTFET tương tự như Transistor trường Silic. Khi đặc tuyến điện của ống nano cacbon phụ thuộc mạnh vào sự đối xứng của nó, đường kính và chất pha tạp, thì các CNTFET có thể được điều khiển bằng chọn cấu trúc hình học thích hợp của ống CNT.
Người ta thường chọn ống SWNT đơn tường là phù hợp cho CNTFET, vì hệ thống các điện tử của nó không có đường rẽ bằng các vỏ đan xen vào nhau bên
trong như là ống CNT đa tường (MWNT). Ngoài ra, ống đa tường buộc ta phải tính toán đến các cấu trúc nhiều vòng ống lồng vào nhau, khoảng cách giữa các ống …
Vì vậy, mô hình CNTFET trong đề tài này, tác giả sẽ xây dựng với ống Nano cacbon đơn tường.
Bảng 2.1 là dữ liệu so sánh được rút ra từ một CNTFET kênh n, với 2 si- MOSFET hiện đại. [3].
Bảng 2.1 – độ dẫn trong CNTFET lớn hơn nhiều so với hai loại MOSFET
Các thông số vật lý CNTFET MOSFETs
Loại 1 MOSFETs Loại 2 Đô dày cổng ( nm) 260 15 50 Đọ dày Oxit cổng ( nm) 2 1.4 1.5 Vt(V) 0.5 0.1 0.2 Ion(µA/µm) (Vds = Vgs = Vt ≈ 1) 2100 26 5 650 OFF( / ) I nA µm 150 500 9 Độ nghiêng thế ngưỡng 130 100 9 Độ dẫn (µS/µm) 2321 975 650
Câu hỏi đặt ra là ống CNT dùng thay thế kênh dẫn của MOSFET thông thường sẽ có tính ưu việt gì? Ta thấy rằng CNTFET tốt hơn MOSFET, nhất là về độ dẫn, khả năng đóng mở cực cao. Cải tiến tiếp theo có thể bằng việc giảm độ dày oxit cổng và hạ thấp trở kháng tiếp xúc tại nguồn và máng, điều này ta phải xét ảnh hưởng của rào thế và các vật liệu để làm nguồn và máng là thấp, dưới 1V, thậm chí ở 0.8 V thì CNTFETS vẫn hoạt động và cho dòng nguồn máng cao. Mặt khác, thế cổng điều khiển Vg thấp (từ 0 V – 1 V).
Dựa vào bảng so sánh 2.1, khi chọn CNT làm kênh dẫn thì độ dẫn tốt hơn rất nhiều so với MOSFET loại 1 và 2. So sánh này chỉ ra rằng có nhiều khả năng để cải tiến công nghệ linh kiện điện tử FET dùng ống nano như hiện nay. Jing Guo và các cộng sự đã nghiên cứu và báo cáo nhiều công trình về CNTFET [7], [13]. Họ chỉ ra
rằng một cổng ống đồng trục có thể tăng cường độ dẫn 7 lần khi so sánh với điện cực cổng phẳng được sử dụng với tất cả các linh kiện cho tới nay.
Về cấu trúc hình học của CNTFET gồm:
+ CNTFET phẳng: trong cấu trúc hình học này, ống nano nằm trên lớp điện môi phẳng. Bên dưới lớp điện môi này là cực cổng dẫn điện. Cực nguồn và máng là kim loại được gắn kết trên đỉnh lớp điện môi và phủ kín hai đầu của ống nano [4].
Hình 2.6 - Ảnh AFM của CNTFET cổng phẳng trên thực tế [4]
+ CNTFET đồng trục:
Hình 2.7 – Mô hình CNTFET kênh n với ống CNT đồng trục [12].