CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU Trong khoảng những năm cuối của thế kỉ XX, hàng loạt các sản phẩm công nghệ cao đã ra đời. Các thiết bị điện tử hiện đại có ý nghĩa lớn trong cuộc cánh mạng công nghệ và đã góp phần nâng cao đời sống con người. Năm 1960, sự ra đời của transistor hiệu ứng trường kim loại-ôxít bán dẫn (MOSFET) là một trong những bước phát triển đột phá trong công nghệ điện tử.
Vào những năm thập niên 90, MOSFET đã được thu nhỏ đến kích thước nm với tốc độ làm việc cao nên nó nhanh chóng chiếm vai trò chủ đạo trong ngành công nghệ điện tử. Tuy nhiên, trong thời đại công nghệ ngày nay, với yêu cầu cao về sự thu nhỏ về kích thước linh kiện thì MOSFET đã phải đối mặt với một số vấn đề khó khăn không thể khắc phục được dù đã áp dụng nhiều kỹ thuật tiên tiến. Trong khi đó, TFET được đánh giá là linh kiện tiềm năng thay thế cho MOSFET. Trong TFET, cơ chế xuyên hầm qua vùng cấm là cơ chế thiết yếu để tạo ra quá trình vận chuyển hạt tải điện đã được khai thác thành công.
Vậy nên trong chương này, luận văn sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động cũng như ưu điểm và nhược điểm của hai loại linh kiện này. MOSFET VÀ GIỚI HẠN VẬT LÝ Trong đời sống hiện đại ngày nay không thể nào thiếu được các thiết bị điện và điện tử. Các thiết bị này có thể nói là phổ biến khắp mọi nơi có con người và nó vẫn đang tích cực hỗ trợ cho cuộc sống của chúng ta. Sự phát triển của khoa học công nghệ thật sự đã đem lại những diện mạo mới cho cuộc sống.
Giờ đây, chúng ta không những có thể biết được tình hình xảy ra trên thế giới chỉ trong vài phút mà còn có thể “gặp mặt” người thân, bạn bè dù ở cách xa cả nửa vòng Trái Đất. Trong đó, vật liệu đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển các thiết bị điện tử là chất bán dẫn (semiconductor). Công nghiệp vi mạch bán dẫn và mạch tích hợp (IC) đã trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn của rất nhiều quốc gia trên thế giới. Năm 1940, tại phòng thí nghiệm Bell Labs, Ronssell B.
Ohl đã sản xuất thành công các tinh thể Silicon, một chất bán dẫn nổi tiếng có thể hoạt động như một bộ chỉnh lưu. Đây chính là khởi đầu cho sự phát triển của ngành bán luan an 6 dẫn sau này. Đến năm 1947, cũng tại phòng thí nghiệm Bell Labs đã có một bước phát triển đột phá khác khi John Bardeen và Walter Houser Brattain đã phát minh transistor tiếp xúc điểm Germanium đầu tiên. Đây là cột mốc quan trọng trong nỗ lực tìm ra thiết bị mới thay thế cho ống chân không và báo trước sự xuất hiện của thời đại transistor.
Tuy nhiên, tại thời điểm phát minh, transistor bị dòng rò lớn và không thể làm việc ở nhiệt độ cao. Sau đó, William Bradford Shockley đã phát triển transistor chuyển tiếp (junction transistor) và transistor tiếp xúc lưỡng cực. Sử dụng kỹ thuật này, Morgan Sparks - nhà hóa học của Bell Labs đã thả các viên tạp chất nhỏ vào Germanium nóng chảy trong quá trình phát triển tinh thể để tạo các mối nối pn. Năm 1950, Morgan Sparks và Teal bắt đầu thêm hai viên tạp chất liên tiếp vào khối Germanium, lớp thứ nhất có tạp chất loại p và lớp thứ hai có tạp chất chất loại n tạo thành cấu trúc npn.
Các transistor chuyển tiếp như vậy có hiệu suất vượt xa các transistor tiếp xúc điểm nên mô hình transistor chuyển tiếp bắt đầu được ứng dụng cho các mạch điện tử để khuếch đại dòng, khuếch đại thế và khuếch đại tín hiệu công suất. Bell Labs đã công bố tiến bộ này vào ngày 4 tháng 7 năm 1951 trong một cuộc họp báo. Vài năm sau đó, transistor hiệu ứng trường đầu tiên đã được Bell Labs sản xuất. Với những đóng góp cho sự nghiên cứu và phát triển của transistor, năm 1956 giải Nobel Vật lý đã được trao đồng thời cho ba nhà khoa học W.
Sự ra đời của transistor đã đánh dấu cho một kỹ nguyên công nghệ rực rỡ bậc nhất trong lịch sử loài người và ngành công nghệ bán dẫn sau đó đã phát triển một cách nhanh chóng. Tiêu biểu cho sự phát triển này là sự ra đời của mạch tích hợp với các linh kiện đơn giản được tích hợp lên trên bề mặt tấm Silicon gọi là “chip”. Trong ngành công nghệ ngày nay, hầu hết các thiết bị điện tử trên thế giới là chip IC. Một con chip tuy rất nhỏ nhưng là một hệ thống các vi mạch cực kỳ phức tạp.
Việc thiết kế và chế tạo các con chip là sự tổng hợp của nhiều ngành khoa học và công nghệ khác nhau. Năm 1960, không những công nghệ Epitaxial được phát triển thành công mà transistor hiệu ứng trường kim loại-ôxít bán dẫn (MOSFET) đầu tiên cũng được sản xuất tại phòng thí nghiệm Bell Labs. Năm 1963, công nghệ MOS (complementary metal-oxide-semiconductor) ra đời cũng được coi là nền tảng luan an 7 Kim loại (Metal) Lớp ô-xít tox Đế bán dẫn Hình 1. Phác họa cấu trúc tụ MOS cơ bản.
cho sự phát triển rực rỡ của bán dẫn. Hiện nay, MOS đang là công nghệ được sử dụng để sản xuất IC và MOSFET chính là linh kiện quan trọng nhất trong công nghệ MOS. Kích thước của MOSFET khá nhỏ, một vi mạch có thể chứa đến hàng triệu MOSFET, nên nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng mạch số [1]. Vào những năm thập niên 90, kích thước của MOSFET được thu nhỏ đến nanomet, tốc độ làm việc cao, con chíp Silicon được chế tạo đại trà và giá thành thấp.
Vì vậy mà trong một thời gian dài, MOSFET đóng vai trò quan trọng trong công nghệ điện tử. MOSFET có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện [1], vì có cấu trúc bán dẫn nên nó cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điều khiển cực nhỏ. Trong đó, cấu trúc MOS (metal-oxide- semiconductor) được ví như là “trái tim” của MOSFET. Cấu trúc MOS cơ bản tương tự như một tụ điện phẳng được phác họa như hình 1.
Cấu trúc MOS có được bằng cách lắng đọng một lớp Silicon dioxide hoặc vật liệu điện môi khác trên đế (substrate) Silicon hoặc vật liệu bán dẫn khác. Sau đó đặt một lớp kim loại trên lớp điện môi cổng để tạo thành điện cực cổng [2]. Kim loại có thể là nhôm hoặc một số kim loại khác, nhưng bây giờ hầu hết nó là đa tinh thể có độ dẫn cao được lắng đọng trên lớp ô-xít [1]. Trong đó tox là độ dày của lớp ô-xít cổng (oxide thickness).2 phác họa cấu trúc cơ bản của một MOSFET.2 có thể thấy cấu trúc cơ bản của MOSFET gồm ba điện cực: cực máng (Drain (D)), cực nguồn (Source (S)) và cực cổng (Gate (G)).
Cực cổng là cực điều khiển luan an 8 Insulator Gate Source Drain n+ n+ p (a) Insulator Gate Source Drain p+ p+ n (b) Hình 1. Phác họa cấu trúc của MOSFET (a) kênh n và (b) kênh p. được cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi (insulator) rất mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn là SiO2. MOSFET có hai loại là MOSFET kênh n (NMOS) và MOSFET kênh p (PMOS).
MOSFET kênh n có nguồn và máng được pha tạp loại n với nồng độ cao, thân pha tạp loại p với nồng độ thấp hơn. Trong khi đó, MOSFET kênh p có nguồn và máng được pha tạp loại p với nồng độ cao, thân pha tạp loại n với nồng độ thấp hơn. Thân và gốc của các điện cực được gắn liền với nhau. Kênh được hình thành phía dưới cổng và hạt tải điện có thể di chuyển giữa nguồn và máng qua kênh nếu có sự chênh lệch điện thế giữa nguồn và máng.
MOSFET thuộc loại kênh n hay kênh p là do hạt tải điện đa số trong kênh. Ở MOSFET kênh n, hạt tải điện đa số là electron và MOSFET kênh p thì hạt tải điện đa số là lỗ trống. MOSFET kênh n, máng được đặt vào điện áp nguồn cấp còn luan an 9 nguồn thường được nối đất để kéo điện áp máng xuống đất. Ngược lại, với MOSFET kênh p, máng được nối đất còn nguồn thường được đặt vào điện áp nguồn cấp để kéo điện áp máng lên gần với điện áp cung cấp.
MOSFET hoạt động như một công tắc đơn giản. Trong đó, MOSFET như một công tắc đóng khi cổng được nối đất và như một công tắc mở khi cổng được nối với điện áp cấp [2]. MOSFET hoạt động dựa trên nguyên lý của vật lý cổ điển, với cơ chế khuếch tán nhiệt truyền thống [2]. Ở đây, ta sử dụng MOSFET kênh n để hiểu hơn về cơ chế hoạt động của MOSFET.
Khi hiệu điện thế cổng-nguồn Vgs thấp hơn điện áp ngưỡng (VT) của NMOS thì rào thế nhiệt tại kênh cao khiến phần lớn electron ở cực nguồn không thể đi qua kênh đến cực máng, khi đó linh kiện ở trạng thái tắt. MOSFET là lý tưởng khi ở trạng thái tắt không có dòng điện giữa nguồn và máng. Tuy nhiên, một số electron có năng lượng lớn vẫn có thể chảy từ nguồn đến máng tạo nên dòng dưới ngưỡng. Khi hiệu điện thế cổng-nguồn (Vgs) lớn hơn điện áp ngưỡng, điện trường cực cổng cảm ứng mạnh tới khu vực kênh làm hạ rào thế nhiệt xuống rất thấp và do đó phần lớn electron ở cực nguồn có thể dễ dàng tới cực máng để thiết lập trạng thái mở.3 mô tả cơ chế phát xạ nhiệt của MOSFET kênh n ở trạng thái tắt và trạng thái mở.
Dòng dẫn (drain current ID)) của MOSFET ở trạng thái mở có thể được xác định bằng công thức [2]: W Vds2 ID = nCox (Vgs VT )Vds (1.1) L 2 Trong đó: µn là độ linh động của electron trong kênh, Cox là điện dung của lớp ô-xít trên một đơn vị diện tích, W là chiều rộng của cổng, L là chiều dài của cổng, Vds là hiệu điện thế máng-nguồn (drain-to-source voltage). Điện dung của lớp ô-xít trên một đơn vị diện tích được tính như sau [2]: ox Cox (1.2) tox luan an 10 N+ P N+ EC EV (a) Sự phát xạ nhiệt ở trạng thái tắt N+ P N+ EC EV (b) Sự phát xạ nhiệt ở trạng thái mở Hình 1. Giản đồ năng lượng của MOSFET (a) ở trạng thái tắt và (b) ở trạng thái mở. Với εox là hằng số điện môi của vật liệu điện môi cổng.
Từ phương trình (1.