Chương 2: TRANSISTOR TRƯỜNG ỐNG NANÔ CARBON 2.1. Ống nanô carbon
2.2. Transistor trường ống nanô carbon (CNTFET)
2.2.2. Hoạt ủộng của CNTFET
Thông thường, một rào thế Schottky tồn tại tại mỗi chỗ tiếp xúc giữa kim loại và chất bỏn dẫn, trong ủú vựng dẫn của kim loại phủ lờn vựng cấm của chất bỏn dẫn. Dũng ủiện trong CNTFET là dũng xuyờn hầm của cỏc ủiện tử (lỗ trống) qua rào Schottky. Kim loại dựng làm cỏc ủiện cực nguồn – mỏng phải ủược chọn lựa sao cho mức năng lượng Fermi của nó nằm giữa vùng dẫn và vùng hoá trị của CNT.
Hình 2.12. Minh hoạ dải năng lượng của SB-CNTFET trạng thái ON và OFF Chiều cao của rào Schottky ủược xỏc ủịnh tựy thuộc vào cấu trỳc kim loại và trạng thái khe hở bên trong kim loại gây ra. Những trạng thái này trở nên có giá trị trong vùng năng lượng cấm (energy gap) của chất bán dẫn nhờ sự hình thành tiếp xỳc với kim loại. Rào Schottky ủược ủiều khiển bởi sự khỏc nhau của những vị trớ tiếp giáp của kim loại và ống nanô. Rào Schottky cũng cực kỳ nhạy với những thay ủổi của mụi trường tại khu vực tiếp xỳc. Chẳng hạn, sự hấp phụ khụng khớ cũng làm thay ủổi tiếp giỏp làm việc trờn bề mặt kim loại. Vỡ linh kiện này dựng kim loại như những ủầu cuối của cực nguồn và mỏng của nú và cú rào Schottky tại chổ tiếp xỳc giữa ống nanụ và kim loại, vỡ vậy nú ủược gọi là CNTFET rào Schottky (Schottky- barrier CNTFET).
SB-CNTFET làm việc trên nguyên lý xuyên hầm trực tiếp qua rào Schottky tại chổ tiếp giỏp của cực nguồn và kờnh dẫn. ðộ rộng của rào ủược ủiều khiển bởi ủiện thế tại cực cổng và vỡ thế, ủộ hỗ dẫn của linh kiện phụ thuộc vào ủiện ỏp cực cổng. CNTFET tiờu biểu là loại p, do ủú khi cực cổng ủược cấp một mức ủiện ỏp õm, ủộ rộng của rào Schottky tại cực nguồn sẽ ủược ủiều chỉnh, cho phộp cỏc lỗ trống từ cực nguồn vào vùng hoá trị của kênh dẫn và băng qua cực máng. Trạng thái này ủược minh hoạ trong hỡnh 2.12b. Khi ủiện thế cực cổng ủược tăng lờn về ủộ lớn (VGS tăng), nú sẽ làm giảm bề rộng của rào tại cực nguồn, ủiều này làm tăng sự xuyờn hầm của ủiện tử qua rào, và vỡ thế làm tăng dũng ủiện chảy trong kờnh dẫn của transistor. Trong SB-CNTFET, hoạt ủộng của transistor xảy ra bởi sự ủiều chỉnh hệ số truyền dẫn của linh kiện.
ðường ủặc trưng V-I của SB-CNTFET tiờu biểu ủược mụ tả trong hỡnh 2.13.
Khi VGS > VDS/2, linh kiện là một SB-CNTFET hoạt ủộng với sự xuyờn hầm của cỏc ủiện tử, nhưng khi VGS < VDS/2, linh kiện là một SB-CNTFET hoạt ủộng với sự xuyờn hầm của cỏc lỗ trống. Sơ ủồ khối dảy năng lượng tại VGS = VDS/2 trong hỡnh 2.13b cho thấy rằng linh kiện ủối xứng tại thiờn ỏp này: ủiện tử xuyờn hầm ở tiếp xỳc bờn trỏi là ủiện tử tại cực nguồn (với VGS = +VDS/2). Lỗ trống xuyờn hầm ở tiếp xúc bên phải là lỗ trống tại cực máng (với VGS= -VDS/2). Sự xuyên hầm xảy ra mạnh mẽ trong các linh kiện này bởi vì ảnh hưởng khối lượng nhỏ và rào mỏng [15].
Hỡnh 2.13. Hoạt ủộng của một CNTFET rào Schottky (SB-CNTFET) Nếu ủiện ỏp cực cổng tăng theo chiều dương với VGS dương, ảnh hưởng tương tự sẽ xảy ra nhờ rào Schottky ở phía dương của dải năng lượng của ống nanô carbon. Tuy nhiờn, bởi vỡ mức năng lượng Fermi kim loại ra xa dải dẫn nờn ủiện thế cực cổng cần phải lớn hơn ủể thu ủược cỏc mức giỏ trị dũng ủiện tương tự. Hỡnh 2.13 giải thớch cỏch thức mà một CNTFET hoạt ủộng như linh kiện lưỡng cực, transistor cú kờnh n và kờnh p, phụ thuộc vào ủiện ỏp cung cấp.
SB-CNTFET cho thấy tớnh dẫn ủiện lưỡng cực rất mạnh, ủặc biệt khi bề dày lớp ụxớt cổng ủược giảm bớt. Kết quả là sẽ gõy ra dũng rũ tăng theo hàm mũ với ủiện ỏp cung cấp, ủặc biệt là khi ủường kớnh ống nanụ lớn, dẫn ủến giới hạn ứng
dụng của linh kiện. Cho nờn, tớnh dẫn ủiện lưỡng cực phải ủược giảm bớt ủể cải tiến sự hoạt ủộng của thiết bị. Một trong những giải phỏp là tăng bề dày lớp ụxớt cổng.
Khi lớp ôxít cổng dày, nó sẽ làm giảm chiều cao của rào schottky xuống mức zerô và triệt tiờu tớnh dẫn ủiện lưỡng cực [15]. Vỡ thế, dũng rũ sẽ ủược giảm bớt như là một kết quả ủể cải tiến sự hoạt ủộng của transistor. Sự lựa chọn khỏc là chế tạo lớp ụxớt cổng bất ủối xứng mà ủược ủưa ra gần ủõy ủể triệt tớnh dẫn ủiện lưỡng cực.
Cỏc CNTFET lưỡng cực cú thể ủược sử dụng trong cỏc mạch logic số, nhưng dũng ủiện rũ làm tăng cụng suất nguồn khi thiết bị ở trạng thỏi nghỉ (Standby). Cỏc dũng rũ cú thể chấp nhận ủược ủũi hỏi một vựng năng lượng cấm ớt nhất gần bằng 0,8 eV ủối với CNT cú ủường kớnh nhỏ hơn 1 nm. Một khả năng khỏc ủể triệt tiờu tớnh dẫn ủiện lưỡng cực là sử dụng một ủiện cực kim loại cú rào nhỏ tại dải dẫn cho nCNTFET và một ủiện cực kim loại khỏc cú rào nhỏ tại dải hoỏ trị cho pCNTFET.
Nếu lớp cỏch ủiện cổng dày dẫn ủến rào Schottky dày sẽ triệt ủược tớnh dẫn ủiện lưỡng cực, nhưng lớp cỏch ủiện cổng dày làm cho hoạt ủộng của CNTFET xấu ủi. Cú những ý tưởng thụng minh là tạo ra một lớp ụxớt dày tại ủầu cuối của cực mỏng và một lớp ụxớt mỏng tại cực nguồn ủó ủược nghiờn cứu.
2.2.3. So sánh CNTFET với Si-MOSFET:
Từ khi giới thiệu lần ủầu tiờn vào năm 1998, sự phỏt triển của CNTFET ủó nhận ủược nhiều cải tiến khụng ngừng về cỏc ủặc trưng ủiện như ủó trỡnh bày ở phần trờn. Martel và cộng sự ủó so sỏnh cỏc ủặc trưng quan trọng của CNTFET cổng sau với Si-MOSFET hiện ủại. Dữ liệu của họ ủược rỳt ra từ một CNTFET cổng sau với tiếp xỳc nguồn-mỏng là Ti/TiC. CNTFET cổng trờn ủược bỏo cỏo bởi Wind và cộng sự với những cụng tắc và ụxớt cổng ủược thiết kế cẩn thận, biểu diễn giỏ trị chưa từng thấy ủối với ủộ dẫn ủiện và dũng ủiều khiển cực ủại, ủược so sỏnh trong bảng 2.1.
Bảng 2.1 So sỏnh một số thụng số ủặc trưng quan trọng của CNTFET loại p với hai loại Si-MOSFET hiện ủại [2, tr.255].
CNTFET Cổng trên
Si-MOSFET Loại 1
Si-MOSFET Loại 2
ðộ dài cực cổng (nm) 260 15 50
ðộ dày ôxít cổng (nm) 15 1,4 1,5
Vt (V) 0,5 0,1 0,2
ION (àA/àm) (Vds=Vgs=Vt~1) 2100 265 650
IOFF (nA/àm) 150 500 9
ðộ nghiêng thế ngưỡng (mV/dec)
130 100 70
ðộ hỗ dẫn (àS/àm) 2321 975 650
Từ bảng 2.1 ta thấy rằng, thậm chớ khi ủộ dẫn bằng 1/2 giỏ trị trờn, CNTFET vẫn tốt hơn MOSFET. Cỏc cải tiến tiếp theo cú thể ủược mong ủợi là việc giảm ủộ dày ôxit cổng và hạ thấp trở kháng tiếp xúc tại cực nguồn và máng.
Jing Guo và cộng sự ủó thực hiện nghiờn cứu lý thuyết về một CNTFET [16].
Họ ủó chỉ ra rằng một cổng ủồng trục cú thể tăng cường ủộ dẫn bảy lần khi so sỏnh với ủiện cực cổng phẳng, ủược sử dụng ủối với tất cả cỏc linh kiện cho tới nay. Họ cũng phỏt hiện ra rằng ủộ dẫn cực ủại của linh kiện loại n của họ là 63 àS, một giỏ trị cao hơn ủỏng kể so với cỏc giỏ trị tốt nhất ủó ủược bỏo cỏo từ trước ủến nay ủối với linh kiện loại p là 3,25 àS. Sự so sỏnh này chỉ ra rằng cú nhiều khả năng cải tiến công nghệ linh kiện ống nanô hiện nay.
2.2.4. Một số ứng dụng của CNTFET
ðộng lực dẫn ủến việc nghiờn cứu, xõy dựng cỏc CNTFET là sử dụng nú vào những mạch số. Vỡ vậy, CNTFET hiển nhiờn phải ủược ứng dụng vào cấu trỳc của các cổng logic.
Hỡnh 2.14. Cổng ủảo CNTFET bự nội phõn tử ủược làm bằng một CNTFET loại p và một CNTFET loại n nối tiếp [9]
ðõy là bước phỏt triển ủể mang ống nanụ carbon vào trong cỏc ứng dụng số bằng cách tích hợp CNTFET như là một cổng logic, linh kiện cơ bản trong các máy tớnh. Sự thiết lập cỏc cổng logic từ CNTFET sẽ trở thành một chuẩn ủỏnh giỏ dựa trờn sự thớch hợp của nú trong lĩnh vực ủiện tử số. Bằng cỏch liờn kết một CNTFET loại p và một CNTFET loại n lại với nhau sẽ hình thành một cổng logic NOT hay ủảo ủiện ỏp, ủõy là cổng logic ủầu tiờn dựa trờn nền tảng CNT. Cổng NOT là một cổng logic cơ bản mà cú thể sử dụng ủể xõy dựng cỏc cổng logic khỏc. Cỏc cổng logic ủược chế tạo bằng CNT làm việc tương tự như cỏc cổng logic dựa trờn nền tảng Si.
Hỡnh 2.14. trỡnh bày cổng logic ủảo nội phõn tử, toàn bộ ống nanụ biểu thị một CNTFET loại n và một CNTFET loại p mắc nối tiếp, ủược ủiều khiển bằng một cổng chung. CNTFET loại p ủược phõn cực bởi một ủiện ỏp dương, n-CNTFET ủược phõn cực bởi một ủiện ỏp õm. Khi cấp một mức ủiện ỏp õm ủồng thời vào cực cổng của 2 CNTFET, p-CNTFET sẽ ở trạng thái ON, n-CNTFET ở trạng thái OFF, kết quả ủiện ỏp ngừ ra dương. Ngược lại, khi ủiện ỏp dương ủược cấp ủồng thời vào hai cực cổng, n-CNTFET sẽ ở trạng thái ON, p-CNTFET ở trạng thái OFF, kết quả ủiện ỏp ngừ ra õm.
Hỡnh 2.15. ðường ủặc trưng vào ra của một cổng ủảo dựng CNTFET [9]
Một cổng ủảo ủược xõy dựng từ một CNTFET và một ủiện trở 100 MΩ. Khi ngừ vào ở mức logic 1, ủiện ỏp cực cổng õm sẽ kộo cỏc lổ trống vào CNTFET và làm cho ủiện trở thấp hơn ủiện trở phõn cực. ðiều này sẽ kộo ngừ ra xuống mức logic 0, tương ứng với 0V. Khi ngõ vào tại mức logic 0, CNTFET không dẫn và vì vậy ngừ ra bị kộo xuống -1,5 V, tương ứng với mức logic 1. Khi thế cổng ủược thay ủổi từ 0 V (logic 0) ủến -1,5 V (logic 1) thỡ thế ngừ ra thay ủổi từ -1,5 V ủến 0 V.
ðặc trưng vào ra của cổng ủảo ủược minh hoạ trong hỡnh 2.15.
Hình 2.16. ðặc trưng vào ra của của cổng NOR [9]
Bằng cỏch nối hai CNTFET song song với một ủiện trở chung chỳng thực hiện một cổng NOR với sơ ủồ vào ra ủược minh hoạ trong hỡnh 2.16. Khi một trong hai ngừ vào hoặc cả hai ở mức logic 1, ngừ ra sẽ ủược kộo xuống 0 V, tương ứng với mức logic 0. Khi ngõ vào của 2 CNTFET ở mức logic 0, không có CNTFET
nào dẫn, vỡ vậy ngừ ra ủược kộo tới mức logic 1. Do trở khỏng và dung khỏng cao, chuyển mạch là tương ủối chậm so với giỏ trị ủiển hỡnh của vi mạch ngày nay.
Hỡnh 2.17. Kết hợp số lẻ cỏc cổng ủảo và dẫn ngừ ra ngược lại ngừ vào thu ủược mạch dao ủộng vũng [9]
Bằng cỏch kết hợp một số lẻ cỏc yếu tố cổng ủảo và mắc ngừ ra trở ngược lại ngừ vào, ta cú thể thực hiện một mạch dao ủộng vũng như trỡnh bày trong hỡnh 2.17.
Mạch dao ủộng vũng này cú thể làm việc tại tần số 5 Hz. Tần số thấp là hiển nhiờn vỡ ủiện dung kớ sinh và trở khỏng nối tiếp cao của CNT cú thể ủược giảm ớt nhất bằng cách tích hợp toàn bộ tất cả các linh kiện trên một nền.
Hỡnh 2.18. Bằng cỏch bổ sung ủiện trở bờn ngoài và nối chộo cỏc ngừ ra về ngừ vào ủể tạo nờn một tế bào ủơn vị SRAM ủơn giản [9]
Bằng cỏch bổ sung ủiện trở bờn ngoài và nối chộo cỏc ngừ ra về ngừ vào ủể tạo nờn một tế bào ủơn vị SRAM ủơn giản ủược minh hoạ trong hỡnh 2.18. Chức năng nhớ tĩnh ủược biểu diễn bằng việc viết trạng thỏi logic 0 hoặc logic 1 tới ngừ