Perancangan dioda Schottky dengan bahan CNT

Perancangan dioda Schottky dengan menggunakan Carbon Nanotube (CNT) menitikberatkan pada menggantikan semikonduktor silikon dengan CNT pada divais tersebut. Pada dioda Schottky silikon, karakteristik Schottky barrier timbul dari junction antara n-type Silikon dengan metal yang memiliki work function lebih tinggi dari Silikon, atau antara p-type Silikon dengan metal yang memiliki work function yang lebih rendah dari Silikon.

CNT yang digunakan dalam perancangan ini dipilih p-type. Pemilihan p-type CNT ini didasarkan pada kemudahan pembuatannya dimana CNT intrinsik (i-CNT) akan berubah menjadi p-type CNT ketika diekspos ke udara bebas. Sifat p-type ini timbul karena adsorpsi atom-atom oksigen ke dalam CNT. Dari band diagram juga dapat dilihat bahwa p-type CNT ini memiliki Fermi level yang mendekati valence band dibandingkan conduction band.

Sesuai dengan teori semikonduktor sebelumnya, untuk dapat menciptakan Schottky barrier pada kontak CNT dengan metal, maka jenis metal yang digunakan haruslah metal yang memiliki work function lebih rendah dibandingkan dengan work function p-type CNT. Untuk CNT dengan diameter 1,4 nm, memiliki work function sekitar 4,5 eV sehingga dibutuhkan metal dengan work function di bawah nilai tersebut. Metal yang dipilih adalah alumunium yang memiliki work function 4,25 eV. Kemudian untuk contact CNT dengan dunia luar tentunya dibutuhkan karakteristik Ohmic contact yang dapat terjadi bila digunakan metal yang memiliki work function lebih tinggi dari work function CNT. Untuk itu dipilih Au sebagai metal contact CNT ke dunia luar yang memiliki work function sebesar 4,8 eV.

Berikut desain perancangan Schottky diode dengan menggunakan CNT sebagai semikonduktor :

Dari Gambar 1 dapat dilihat bahwa posisi CNT terhadap metal merupakan end-bonded contact. Pemilihan peletakan end-bonded contact CNT terhadap metal ini didasarkan pada teori bahwa pada end-bonded contact, efek dari Fermi level pinning tidak terlalu berpengaruh.

Fermi level pinning ini dapat menyebabkan terjadinya electron tunneling yang lebih dominan dibandingkan mekanisme transport yang lain (thermionic emission). Pada side-contacted contact, efek dari Fermi level pinning menjadi dominan.

Sebagai kompensasi dari penggunaan end-bonded contact pada desain ini, maka karakteristik dari Schottky barrier yang terjadi lebih didominasi oleh besarnya work function dari metal yang dipakai.

Pada Gambar 4, dapat dilihat kondisi band diagram dari ketiga material sebelum digabungkan.

Dapat dilihat pada Gambar 5, pada kondisi equilibrium, bending yang terjadi antara Al dengan CNT merupakan karakteristik dari Schottky barrier pada p-type semiconductor (bending ke bawah) sedangkan bending yang terjadi antara CNT dengan Au merupakan karakteristik dari Ohmic contact pada p-type semiconductor (bending ke atas).

Pada kondisi forward bias (tegangan CNT lebih positif dari tegangan Al), maka band diagram menjadi seperti pada Gambar 6. Pada kondisi ini, majority carriers (holes) dapat melewati junction antara Al dengan CNT, begitu juga dengan junction antara CNT dengan Au.

Pada kondisi reverse bias (tegangan CNT lebih negative dari tegangan Al), maka band diagram menjadi seperti pada Gambar 7. Pada kondisi ini, majority carriers (hole) akan terhalang oleh tingginya Schottky barrier yang terbentuk pada junction antara Al dengan CNT sehingga hole tidak dapat mengalir. Sedangkan pada junction antara CNT dengan Au tetap menunjukkan karakteristik dari ohmic contact.

Seperti telah dijelaskan di bagian dasar teori, bahwa mekanisme transport dari majority carrier pada Schottky barrier terjadi melalui 2 mekanisme utama yaitu thermionic emission (TE) current dan tunneling current. Agar dioda Schottky yang didesain tetap menunjukkan karakteristik dari Schottky barrier, maka mekanisme TE current harus lebih dominan daripada mekanisme tunneling current.

Agar TE current dapat lebih dominan dari tunneling current, maka Schottky barrier yang terbentuk haruslah cukup tebal. Ketebalan dari Schottky barrier ini dipengaruhi oleh faktor-faktor intrinsik seperti tingkat doping dari CNT, besarnya work function dari metal yang dipilih serta electron affinity dari CNT itu sendiri.

Acuan :
Physics of Carbon Nanotube Electronic Devices.M.P. Anantram and Leonard, F. 2006
Ballistic carbon nanotube field-effect transistors.Ali Javey, Jing Guo, Qian Wang, Mark Lundstrom and Hongjie Dai.2003
Characterization of Schottky Barrier Carbon Nanotube Transistors and their Applications to Digital Circuit Design. Julia Van Meter Cline.2002
http://www.mtmi.vu.lt
http://www.wikipedia.org