[论文解读] Carbon Nanotubes as Schottky Barrier Transistors

Stefan Heinze, Tersoff, J.+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2002

Carbon Nanotubes in Composites被引用 11

一句话总结

本文表明，碳纳米管场效应晶体管（CNT-FETs）主要作为肖特基势垒晶体管工作，其中栅压通过调节接触电阻而非沟道电导率来调制电流。关键发现是器件性能主要受金属-纳米管接触处的电场增强效应主导，优化接触几何结构可显著降低阈值电压，从而解释了实验中观察到的对吸附气体和掺杂的非对称响应。

ABSTRACT

We show that carbon nanotube transistors operate as unconventional "Schottky barrier transistors", in which transistor action occurs primarily by varying the contact resistance rather than the channel conductance. Transistor characteristics are calculated for both idealized and realistic geometries, and scaling behavior is demonstrated. Our results explain a variety of experimental observations, including the quite different effects of doping and adsorbed gases. The electrode geometry is shown to be crucial for good device performance.

研究动机与目标

• 为解决理论预期与CNT-FET实验观测之间的差异，即栅压并未主要调制沟道电导率。
• 研究金属-碳纳米管接触处的肖特基势垒在控制晶体管行为中的作用。
• 解释实验现象，如掺杂和气体暴露下的非对称开关行为。
• 确定电极几何结构如何影响器件性能，特别是阈值电压的缩放。
• 澄清吸附气体是通过掺杂还是接触界面功函数变化起作用。

提出的方法

• 使用对纳米管电荷的静电核局部近似的数值自洽静电势计算。
• 应用Landauer公式计算电流随偏置和栅压的变化，能量依赖的透射概率P(E)通过WKB近似计算。
• 通过金属电极与纳米管之间功函数差异建模肖特基势垒高度的变化。
• 将理想化的圆柱形几何结构与实际FET结构进行比较，以验证缩放行为和电场增强效应。
• 利用能带图说明功函数偏移和掺杂对势垒宽度和载流子注入的影响。
• 将理论曲线与氧气暴露和钾掺杂的实验数据直接对比，以验证功函数变化假说。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何CNT-FET尽管沟道迁移率高，仍表现出非理想开关行为？
• RQ2 电流调制的主导机制是什么——沟道电导率还是接触电阻？
• RQ3 如氧气等吸附气体如何影响CNT-FET特性，这是由于掺杂还是功函数变化？
• RQ4 接触几何结构在多大程度上影响阈值电压和开启特性？
• RQ5 为何n型掺杂会移动开启电压范围，而功函数变化则导致非对称开启而不移动关断态区域？

主要发现

• CNT-FETs作为肖特基势垒晶体管工作，电流调制主要通过栅压引起的接触势垒宽度变化实现，而非沟道电导率调制。
• 通过优化接触几何结构（如将金属电极厚度从50 nm减小到5 nm），可显著降低阈值电压，这是由于在更尖锐的接触处电场聚焦增强。
• 接触处功函数变化（由吸附气体如氧气引起）导致非对称开启行为，但不移动关断态电压范围，与掺杂效应形成对比。
• 氧气暴露的实验数据表明电导变化与功函数偏移一致，而非掺杂，解释了无阈值电压移动和非对称响应的原因。
• 掺杂会使整个电导-电压曲线发生移动：n型掺杂使开启电压移向负栅压，而p型掺杂则移向正栅压，且在高掺杂水平下零栅压时仍保持有限电导。
• 理论预测与图4中的实验观测一致，证实氧气的主要效应是改变金属功函数，而非掺杂纳米管。