luan an tien si vat ly,chuyen nganh, vat ly, vo tuyen, va dien tu,mo phong, transistor, phan tu vong, benzene, lien ket 1-4, voi cac nguyen to, thuoc nhom halogen, tran tien phuc
LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử
Mã số: 62 44 03 01
MÔ PHỎNG TRANSISTOR PHÂN TỬ VÒNG BENZENE LIÊN KẾT 1-4 VỚI CÁC NGUYÊN TỐ THUỘC NHÓM HALOGEN
MỞ ĐẦU
Những xu hướng nghiên cứu phát triển nổi bật của ngành công nghiệp bán dẫn trên thế giới hiện nay là tiếp tục thu nhỏ kích thước, giảm công suất tiêu thụ điện, giảm điện áp nguồn nuôi, giảm giá thành, tăng mật độ, tăng khả năng đáp ứng tần số, mở rộng dải nhiệt độ làm việc của linh kiện. Những tiêu chí nêu trên đã xuyên suốt cả quá trình từ lúc hình thành ngành công nghiệp bán dẫn và là động lực thúc đẩy phát triển khoa học công nghệ về linh kiện điện tử từ xưa tới nay.
Năm 2007, Intel đã công bố đưa công nghệ 45 nm vào sản xuất chip. Việc thu nhỏ kích thước của linh kiện điện tử hoạt động theo nguyên lý truyền thống như của CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sẽ tiệm cận tới giới hạn nhất định mà nhiều người dự đoán là khoảng 10 nm. Khi kích thước linh kiện xuống hàng nanômét, những hiệu ứng mới xuất hiện (hiệu ứng lượng tử) Và trở thành những vấn đề chính yếu trong quá trình vận chuyển của điện tích. Đây là một lĩnh vực nghiên cứu mới mẻ và hấp dẫn: Điện tử nanô. Công nghệ nanô nói chung và điện tử nanô nói riêng đang lôi cuốn nhiều trường đại học, viện nghiên cứu trên thế giới tham gia. Công nghệ nanô là chương trình trọng điểm của nhiều Chính phủ ở các nước phát triển.
Phòng thí nghiệm Công nghệ Nanô thuộc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã được xây dựng và đi vào hoạt động là một minh chứng về sự quan tâm của Chính phủ cùng các nhà khoa học Việt Nam trong lĩnh vực này. Nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực nanô đã và đang được thực hiện có kết quả.
Tại Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thuộc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã thực hiện đề tài nghiên cứu cấp Bộ “Xây dựng phần mềm mô phỏng NEMO-VN cho linh kiện điện tử nanô” (NEMO-VN: Nano Electronic Modeling – Vietnam). Dưới sự chỉ đạo của PGS. TS. Đinh Sỹ Hiền và các cộng sự – trong đó có sự tham gia tích cực của Nghiên cứu sinh Trần Tiến Phức – đã xây dựng chương trình mô phỏng điôt đường hầm cộng hưởng (resonant tunneling diode, RTD) Và các linh kiện thấp chiều như chấm lượng tử (Quantum Dot, QD), dây lượng tử (Quantum Wire, QW), và giếng lượng tử (Quantum Well, Qwell) [3]. Một chương trình mô phỏng các linh kiện điện tử nanô 3D dựa trên giao diện đồ họa của người sử dụng GUI (graphic user interface) Trong phần mềm MATLAB (matrix laboratory) Đã được hoàn thành.
Nhờ sử dụng GUI của MATLAB, NEMO-VN cho phép nhập các thông số, điều khiển tính toán, hiển thị kết quả và phân tích dữ liệu một cách nhanh chóng, trực quan và thân thiện. Đề tài đã được hội đồng nghiệm thu đánh giá tốt và có nhiều ý nghĩa rất thiết thực trong công tác giảng dạy học phần “Điện tử nanô” cho các bậc Đại học, Cao học tại Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
Tiếp tục phát triển và mở rộng NEMO-VN, luận văn này sẽ mô phỏng một linh kiện có cấu trúc cụ thể – Transistor phân tử (Molecular Transistor, MT).
Đây là hướng nghiên cứu tiếp cận từ dưới lên (bottom up) Của điện tử nanô và có tính khả thi về mặt công nghệ trong tương lai gần.
Mục đích của đề tài này nhằm thiết kế và mô phỏng hoạt động của transistor sử dụng phân tử là vòng benzene liên kết đối xứng với hai nguyên tử thuộc nhóm Halogen (Flourine - F, Chlorine - Cl, Bromine - Br, Iodine – I) Làm kênh dẫn tiếp xúc với hai điện cực bằng Vàng (Au) Làm cực nguồn (Source - S) Và cực máng (Drain - D). Cực cổng (Gate - G) Được cách ly với kênh phân tử bởi một vài lớp phân tử SiO2. Giao diện GUI trong MATLAB được sử dụng để thể hiện kết quả mô phỏng và xem xét ảnh hưởng các tham số kích thước, nhiệt độ, thế điều khiển ở cực cổng lên họ đặc trưng.
Nghiên cứu, phát hiện các phân tử mới thỏa mãn điều kiện làm kênh dẫn trong transistor đang được rất nhiều nhóm nghiên cứu trên toàn thế giới quan tâm và thực hiện bằng các phương pháp khác nhau. Đề tài này không nhắm tới việc xây dựng một phần mềm mô phỏng độc lập để đạt được mục đích trên bởi đó là một khối lượng công việc quá lớn so với khả năng của tác giả và giới hạn thời gian của đề tài. Công trình này sử dụng cơ sở lý thuyết về transistor phân tử được Supriyo Datta cùng các cộng sự phát triển và đã công bố trong tài liệu “Quantum Transport: Atom to Transistor” [34]. Thay cho một ví dụ lấy các tham số theo giả thiết chủ quan của S. Datta thì công trình này tìm kiếm và xác lập các tham số phân tử cụ thể thỏa mãn tính chất lý thuyết bằng phần mềm mô phỏng hóa học “CAChe”. Phần mềm mô phỏng hóa học CAChe cũng đang được Phòng thí nghiệm Nanô ca i h c Qu c gia Thành phố Hồ Chí Minh sử dụng cho các nghiên cứu viên của mình. Tác giả đã thực hiện giải bài toán và vẽ họ đặc trưng trong GUI của MATLAB để dễ dàng thay đổi các tham số thử nghiệm qua các Slider, so sánh và phân tích kết quả trên cùng một hệ trục tọa độ.
Kết quả mô phỏng về transistor phân tử ở đề tài này cho ta một cách nhìn trực quan và tin tưởng về tính khả thi của nó trong tương lai gần. Tác giả của đề tài này đã tiếp tục phát triển, mở rộng thêm NEMO - VN do PGS. TS. Đinh Sỹ Hiền và các cộng tác viên tại Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện. Lần đầu tiên trên thế giới, transistor sử dụng kênh dẫn là các phân tử Difluoro Benzene (C6H4F2), Dichloro Benzene (C6H4Cl2), Dibromo Benzene (C6H4Br2), Diiodo Benzene (C6H4I2) Được tác giả mô phỏng thành công nhờ sử dụng GUI trong MATLAB. Tác giả đã thiết kế một giao diện hoàn toàn mới, trực quan và thân thiện. Chúng ta dễ dàng thấy được ảnh hưởng của các tham số điện áp, kích 4 thước, nhiệt độ lên đặc trưng của transistor.
Nội dung của đề tài có thể sử dụng cho việc giảng dạy về Điện tử nanô ở bậc Đại học và Cao học. Đồng thời, nó đặt ra một hướng nghiên cứu mới về mặt công nghệ để kiểm chứng cơ sở lý thuyết và kết quả mô phỏng thu được: Transistor dùng kênh dẫn là một phân tử của các chất C6H4F2, C6H4Cl2, C6H4Br2, C6H4I2 có họ đặc trưng như của MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) ở bán dẫn khối, nguồn nuôi thấp, dải nhiệt độ làm việc rộng.
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANÔ
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG
Vào năm 1965, Gordon Moore, mà sau này là người đồng sáng lập nên hãng Intel, đã tiên đoán về việc tăng gấp đôi số linh kiện điện tử trong mỗi chip hàng năm. Ngày nay, định luật Moore đã được nhắc đến trong nhiều lĩnh vực khác như: Mật độ lưu trữ của đĩa cứng, tốc độ truyền trong mạng, số phát minh và sáng chế trong khoa học công nghệ. Thực tế, mọi cái trong công nghiệp đều tăng theo quy luật hàm số mũ. Dĩ nhiên, trong lĩnh vực thu nhỏ kích thước linh kiện điện tử thì kích thước nguyên tử của vật chất sẽ xác lập giới hạn đối với định luật Moore.
Công nghệ nanô hiện nay đã được nhiều nước chọn hướng ưu tiên phát triển. Những hướng công nghệ nanô chính phải kể đến là: Công nghệ sinh học nanô; Vật lý nanô; Điện tử học nanô; Y học nanô [1].
Nhiều lĩnh vực kỹ thuật và nghiên cứu khoa học đòi hỏi phải có các thiết bị điện tử siêu nhỏ, tiêu tán công suất thấp, hiệu suất sử dụng nguồn điện cao, hoạt động ổn định ở dải nhiệt độ rộng, trong môi trường có áp lực lớn hay chân không. Những yêu cầu đó là động lực thúc đẩy mạnh mẽ các nghiên cứu về linh kiện điện tử nanô hiện nay.
Trước khi đi đến linh kiện điện tử thang nanômét “thuần tuý” sẽ có một giai đoạn trung gian sản xuất các “mạch lai”. Để có sản phẩm điện tử nanô dạng thương mại trên thị trường trong những năm tới cần có nhiều thay đổi cơ bản trong công nghệ vi điện tử hiện đang được sử dụng. Ở kích thước dải nanô những linh kiện điện tử hoạt động theo nguyên lý khác so với bán dẫn khối.
Do đây là một lĩnh vực khoa học đang phát triển rất nhanh và sôi động trên thế giới, một số vấn đề vẫn còn đang tiếp tục nghiên cứu phát triển, kết quả công bố diễn biến từng ngày nên luận án này khó có thể tổng quan được trọn vẹn.
1.2. LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANÔ
1.2.1. Những hạn chế của công nghệ vi điện tử
Xu hướng phát triển nổi bật của công nghệ vi điện tử là tiếp tục thu nhỏ kích thước của các thành phần mạch trong đó có transistor, tăng mật độ linh kiện trong một đơn vị thể tích. Những transitor trường có độ dài cổng 40 nm dùng Si [20] và độ dài cổng bằng 25 nm dùng GaAs đã được chế tạo nhưng tính đồng nhất của chúng chưa đủ tin cậy để làm nên chip có độ tích hợp tới hàng tỷ. Tuy nhiên, việc giảm kích thước của FET (Field Fffect Transistor) Đến thang nanô là có giới hạn vì những lý do sau:
- Điện trường cao, do thế thiên áp đặt vào trên một khoảng cách rất ngắn, có thể “đánh thủng thác lũ” tạo nên tràn dòng và hỏng linh kiện. Mặt khác, ở nhiệt độ môi trường bình thường (nhiệt độ phòng) Luôn luôn có nhiễu do nhiệt độ gây ra vào khoảng 25 mV. Muốn transistor làm việc ổn định ở nhiệt độ phòng, điện thế tác dụng lên nó cần lớn hơn điện thế nhiễu ít nhất là bốn năm lần, tức là cỡ trên 100 mV. Khi thu nhỏ transistor, các điện cực càng gần nhau hơn, điện thế cỡ 100 mV vẫn gây nên điện trường đủ lớn để đánh thủng chất bán dẫn hoặc điện môi không tốt (dVE =).
- Các transistor trong vi mạch mạch phải cách điện với nhau. Điện tử từ transistor này không được rò rỉ qua transistor khác. Tuy nhiên, khi các transistor (hay dây nối) Quá gần nhau thì hiệu ứng đường hầm sẽ xảy ra, điện tử xuyên qua lớp cách điện ngoài ý muốn.
- Mật độ linh kiện trong mạch càng cao thì khi làm việc nhiệt tỏa ra càng nhiều. Nhiệt độ cao sẽ làm mất tính chất bán dẫn điện của vật liệu tạo nên transistor. Điện tử nanô sẽ khắc phục những hạn chế nêu trên và tạo ra những linh kiện yêu cầu nguồn nuôi thấp hơn, hoạt động ở dải nhiệt độ rộng hơn, bền vững trong môi trường áp suất cao hay chân không.
1.2.2. Khái quát và phân loại linh kiện điện nanô
Trong những năm qua, tốc độ xử lý của máy tính điện tử càng nhanh hon còn kích thích linh kiện điện tử thì ngày càng nhỏ hơn. Tuy nhiên, các hiệu ứng lượng tử và kỹ thuật chế tạo sớm ngăn cản việc thu nhỏ kích thước linh kiện.
Thực tế cho thấy, kích thước của các transistor bán dẫn khối thu nhỏ xuống hàng chục nanômét thì việc chế tạo khó hơn và giá thành sẽ cao hơn. Mặt khác, chúng có thể không hoạt động được trong vi mạch có mật độ hết sức cao.
Để tiếp tục thu nhỏ các linh kiện điện tử xuống thang nanô, thang phân tử hay nguyên tử cần nghiên cứu chế tạo theo những nguyên lý mới dựa trên các hiệu ứng của cơ học lượng tư. Do định hướng nghiên cứu của đề tài nên linh kiện điện tử nanô hiệu ứng lượng tử mà cụ thể là transistor phân tử được lựa chọn để phân tích sâu hơn trong phần này.
Transistor phân tử là loại linh kiện lợi dụng các hiệu ứng lượng tử, chịu sự chi phối động học của điện tử trên thang nanô nên có nhiều thay đổi cả nguyên tắc hoạt động lẫn vật liệu được sử dụng. Các phân tử của một hợp chất vốn có 8 cấu tạo giống nhau, rẻ tiền là một lợi thế trong sản xuất công nghiệp cho các chip điện tử có mật độ linh kiện cực cao. Vấn đề là phải tìm ra các cấu trúc phân tử có hiệu ứng điôt hay transistor và lắp ráp chúng theo yêu cầu một cách chính xác.
1.2.3. Linh kiện điện tử nanô bán dẫn hiệu ứng lượng tử
Đặc điểm cấu trúc chủ yếu của tất cả các linh kiện này là đều có một “đảo” nhỏ bằng chất bán dẫn hoặc kim loại trong đó điện tử có thể bị giam giữ. Đảo của linh kiện điện tử nanô có vai trò tương tự như kênh dẫn của một FET. Xét sự giam giữ của điện tử trong đảo ta có ba loại linh kiện điện tử nanô nổi bật đã được công bố từ nhiều công trình nghiên cứu:
• Các chấm lượng tử [26], [31] (hay “nguyên tử nhân tạo”). Đảo giữ các điện tử với bậc tự do cổ điển zêrô.
• Các linh kiện đường hầm cộng hưởng. Đảo giữ điện tử với một hoặc hai bậc tự do cổ điển.
• Transistor đơn điện tử [12], [16]. Đảo giữ điện tử trong ba bậc tự do cổ điển.
Cấu tạo, hình dạng và kích thước của đảo cho các loại linh kiện điện tử nanô khác nhau tạo nên những linh kiện có tính chất riêng biệt.
Các linh kiện vi điện tử được chế tạo chủ yếu từ Si hay Ge đều thuộc nhóm IV của “Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học”. Những linh kiện điện tử nanô kết hợp các nguyên tố của nhóm III và nhóm V của bảng tuần hoàn như Asenit gali (GaAs) Và Asenit nhôm (AlAs). Độ linh động của điện tử trong các chất bán dẫn III-V cao hơn và nó cũng dễ chế tạo những tiếp xúc hơn so với Si và Ge.
1.2.3.1. Đảo, giếng thế và các hiệu ứng lượng tử
Kích thước của đảo trong linh kiện điện tử nanô khoảng từ 5 nm đến 100 nm. Đảo có thể là một vùng nhỏ hay lớp mỏng, khác so với vật liệu xung quanh.
Các cạnh của đảo có thể được xác định bằng điện trường từ các cực nhỏ được phân bố hợp lý. Thông thường, đảo được nhúng giữa hai tường hẹp của một số vật liệu oxit cách điện hoặc một vùng cách điện trong nền nhằm ngăn cản chuyển động của điện tử vào và ra. Trong đảo, các điện tử linh động có xu hướng tạo thành một đám mây và được bao quanh bởi một vùng nghèo. Đây là yếu tố chống lại sự thu nhỏ kích thước của các linh kiện bán dẫn hiệu ứng lượng tử và đơn điện tử. Có hai hiệu ứng cơ học lượng tử chủ yếu đối với các điện tử trong các đảo thang nanômét.
Thứ nhất, cơ học lượng tử hạn chế năng lượng của điện tử trong một số hữu hạn các mức năng lượng. Đảo càng nhỏ thì những mức năng lượng trong giếng 10 thế cách nhau càng rộng. Trong Hình 1.2,? E biểu diễn khoảng năng lượng giữa hai mức trong một giếng.
Thứ hai, nếu rào thế đủ mỏng thì những điện tử chiếm các mức năng lượng thấp hơn độ cao của rào có xác suất đường hầm hữu hạn qua rào để vào hoặc ra khỏi đảo. Một điện tử với năng lượng cho trước muốn xuyên bằng đường hầm qua rào, phải tồn tại một trạng thái trống có cùng năng lượng ở phía bên kia rào.
Hai hiệu ứng lượng tử nêu trên có ảnh hưởng mạnh tới dòng điện tử qua linh kiện điện tử nanô. Khi thế thiên áp được đặt vào đảo thì các điện tử linh động trong cực nguồn có xu hướng chuyển động qua rào thế vào vùng đảo tới vùng có 11 thế thấp hơn trong cực máng. Chỉ có một cách đối với các điện tử đi qua linh kiện là xuyên hầm qua hai rào thế cao xác định đảo.
Việc xuyên hầm để tới cực máng chỉ có thể xuất hiện khi có một mức năng lượng chưa bị chiếm trong giếng khớp với mức năng lượng đã bị chiếm trong vùng nguồn. Trong Hình 1.2, mức năng lượng ở vùng dẫn của cực nguồn là liên tục quanh mức Fermi. Năng lượng của điện tử trên đảo bị lượng tử hoá – chúng chỉ có thể có các trạng thái hay mức năng lượng nhất định. Nếu có N điện tử trên đảo thì giá trị năng lượng bổ sung thêm từ nguồn có hai thành phần: Năng lượng U của điện thế cộng với năng lượng kích thích? E. Đối với điôt đường hầm cộng hưởng (RTD), U thường nhỏ hơn so với? E. Tương tự như vậy, một điện tử cũng có thể xuyên qua bằng đường hầm từ đảo vào cực máng.
1.2.3.2. Linh kiện đường hầm cộng hưởng
Nguyên lý hoạt động của linh kiện đường hầm cộng hưởng là năng lượng của trạng thái lượng tử trên đảo (hay trong giếng thế) Có thể điều chỉnh được so với dải năng lượng tại cực nguồn và cực máng. Trong Hình 1.3 a, khi thay đổi thế thiên áp, mức năng lượng của các trạng thái trong giếng thay đổi theo và có liên quan đến năng lượng của điện tử trong cực nguồn (Hình 1.3 b và 1.3 c).
Khi thế thiên áp làm hạ thấp mức năng lượng của trạng thái một điện tử chưa bị chiếm bên trong giếng bằng với dải năng lượng của vùng dẫn ở cực nguồn, thì giếng lượng tử “cộng hưởng” hay “mở”. Lúc này, có dòng điện tử chảy vào đảo và sang cực máng (Hình 1.3 c). Nếu mức năng lượng trong giếng lệch so với dải năng lượng của vùng dẫn ở cực nguồn thì linh kiện “ngoài cộng hưởng” hay “đóng” (Hình 1.3 b). Sử dụng thế thiên áp thay đổi để đóng và mở dòng xuyên hầm của linh kiện được gọi là điôt đường hầm cộng hưởng hay RTD.
Điều chỉnh các mức năng lượng trong giếng thế so với các mức năng lượng trong cực nguồn có thể thực hiện bởi điện thế trên chân thứ ba - cực cổng. Linh kiện này được gọi là transistor đường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Transistor - RTT). Thế cổng nhỏ có thể điều khiển được một dòng 13 điện lớn qua linh kiện (Hình 1.4b và 1.4c). Như vậy, RTT có thể thực hiện như một chuyển mạch và khuếch đại giống như các MOSFET ở công nghệ bán dẫn khối thông thường.
Những linh kiện hiệu ứng lượng tử thang nanô có tính chất chuyển mạch khác hơn MOSFET. Ở RTD và RTT có thể có nhiều trạng thái đóng và mở ứng với nhiều mức lượng tử gián đoạn trong giếng thế trên đảo bằng với vùng dẫn ở cực nguồn khi thế thiên áp (hay thế cổng) Tăng. Những đỉnh trong đường đặc trưng tương ứng với các mức năng lượng trong giếng bằng với vùng dẫn ở cực nguồn. Tính chất nhiều trạng thái của RTD cho phép tạo ra những mạch lôgic với mật độ cao hơn, giảm công suất tiêu thụ, dẫn đến giảm kích thước toàn mạch.
Trong khi công nghệ nanô thuần túy chưa thực hiện được thì những kết quả nghiên cứu này được ứng dụng ngay vào các mạch lai. Trong đó, các RTD hiệu ứng lượng tử nhỏ được ghép vào máng (hoặc nguồn) Của MOSFET thang micrômet.
Các linh kiện đường hầm cộng hưởng được Esaki nghiên cứu và ứng dụng từ đầu năm 1970 nhưng còn bị hạn chế bởi mật độ dòng thấp. Nhiều nghiên cứu gần đây nhằm khắc phục khuyết điểm trên mang tính đột phá. Công trình về linh kiện đường hầm cộng hưởng vẫn đang được thực hiện bởi một số nhóm với sự tiến bộ đặc biệt trên RTT lai và mạch của Seabaugh cùng cộng sự của ông tạiTexas Instruments. Tại phòng thí nghiệm Lincoln của MIT đã xây dựng thiết bị sản xuất wafer VLSI chứa một lượng lớn RTD trong các mạch tốc độ cao.
Hình 1.6 mô tả đặc trưng I-V của ba loại linh kiện điện tử nanô RTD, QD và transistor đơn điện tử (Single electron tunnelling, SET). Dưới tác dụng của thế nguồn làm thay đổi vị trí các mức năng lượng trong hố thế gần như nhau nhưng do tính chất và hiệu ứng năng lượng vận chuyển điện tích qua linh kiện khác nhau nên đặc trưng I-V là hoàn toàn khác nhau.
1.2.3.3. Hiệu ứng năng lượng trong các linh kiện lượng tử
Các yếu tố xác định năng lượng của điện tử trên một đảo nhỏ là phức tạp. Đảo có ba chiều khác nhau dọc theo mỗi trục x, y và z. Các mức năng lượng của điện tử có thể bị lượng tử hóa riêng theo mỗi chiều với khoảng trống? Ex,? Ey và? Ez tương ứng. Để tính giá trị? E cho một điện tử ta giả thiết bỏ qua tương tác đẩy của N điện tử đã tồn tại trong đảo. Điện tử thứ (N+ 1) Muốn đi vào đảo cần năng lượng phụ để vượt qua lực đẩy tĩnh điện của nó với N điện tử có sẵn trong đảo. Năng lượng đẩy hay “năng lượng điện thế” thể hiện qua giá trị U.
Khi trong đảo có N + 1 điện tử linh động thì tổng năng lượng là U+ ? E. Theo nguyên lý loại trừ Pauli, điện tử thứ (N+ 1) Không được chiếm cùng một trạng thái năng lượng của một điện tử bất kỳ đã có trên đảo. Do đó, điện tử phụ này phải được nâng lên một lượng bằng? E, đó là trạng thái lượng tử một điện tử không tương tác cao hơn tiếp theo.
Giá trị tương đối của U và? E phụ thuộc mạnh vào dạng và kích thước của đảo. Đảo càng hẹp thì? E càng lớn, hiệu ứng lượng tử hoá mạnh hơn. Ngược lại, đảo càng rộng thì? E càng nhỏ, các mức năng lượng được phép sẽ gần nhau hơn.
Giá trị? E tỉ lệ nghịch với bình phương kích thước của đảo. Kích thước của đảo cũng làm thay đổi U. Giá trị U tăng khi khoảng cách <r> (bán kính hiệu dụng) Giữa các cặp điện tử linh động trên đảo giảm, tức khi các điện tử được nén chặt với nhau. Biên độ tương đối của U và? E quyết định tính chất của linh kiện. Vì vậy, kích thước, hình dạng của đảo là cơ sở thích hợp để phân biệt ba loại linh kiện điện tử nanô bán dẫn.
- Linh kiện đường hầm cộng hưởng thường có một đảo dài và hẹp (tức “dây lượng tử” hoặc “bánh kếp” ) Với kích thước khoảng 5 nm đến 10 nm. Đảo là các chất bán dẫn chứa nhiều điện tử linh động. Chiều rộng làm sao cho? E lớn trong khi đó chiều dài giữ cho U nhỏ, nghĩa là? E >> U. Khoảng cách giữa các mức năng lượng cho phép của những điện tử trên đảo được xác định chỉ bằng? E. Giá trị U là thành phần bỏ qua trong tính toán năng lượng tổng cộng U + ? E cho một điện tử bổ sung vào đảo.
- Chấm lượng tử (Quantum Dot - QD) Là một đảo nhỏ mà trạng thái điện tử tự do được lượng tử trong tất cả ba chiều (? Ex,? Ey,? Ez). Đảo này có thể được chế tạo bằng kim loại hoặc bán dẫn theo phương pháp in; Giọt tự sắp xếp; Tinh thể nanô phát triển tại chỗ hay lắng đọng trong màng mỏng.
Phạm trù của các chấm lượng tử bao hàm các chấm riêng, còn được gọi là “các nguyên tử nhân tạo” và một loại linh kiện ghép được gọi là “tế bào chấm lượng tử”, trong đó bốn hay năm chấm lượng tử hình thành nên một linh kiện hai trạng thái.
- Linh kiện đơn điện tử là linh kiện nanô mới hứa hẹn vì kích thước của chúng thậm chí trên thang một nguyên tử và chúng có thể điều khiển chuyển động của một điện tử (chấm lượng tử có tiếp xúc đường hầm). Do đó, nếu linh kiện đơn điện tử được sử dụng như các yếu tố của mạch tích hợp mật độ siêu cao thì công suất tiêu tán sẽ hết sức thấp. Linh kiện đơn điện tử bao gồm một chấm lượng tử được nối với hai điện cực. Một cực được nối với chấm lượng tử qua tiếp xúc đường hầm. Cực khác gọi là điện cực cổng được nối với chấm lượng tử bằng chất cách điện mà điện tử không thể vượt qua bằng xuyên hầm lượng tử. Các điện tử được bơm vào hoặc hút ra khỏi chấm lượng tử qua tiếp xúc đường hầm.
---------------------------------------------------------------
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANÔ
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG
1.2. LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANÔ
1.2.1. Những hạn chế của công nghệ vi điện tử
1.2.2. Khái quát và phân loại linh kiện điện nanô
1.2.3. Linh kiện điện tử nanô bán dẫn hiệu ứng lượng tử
1.2.3.1. Đảo, giếng thế và các hiệu ứng lượng tử
1.2.3.2. Linh kiện đường hầm cộng hưởng
1.2.3.3. Hiệu ứng năng lượng trong các linh kiện lượng tử
1.2.3.4. Những vấn đề nổi bật đối với linh kiện điện tử nanô bán dẫn
1.2.3.5 Ống nanô Cacbon
1.2.4. Điện tử phân tử
1.2.4.1. Phân loại linh kiện điện tử phân tử dựa vào cấu trúc vật liệu
1.2.4.2. Phân loại linh kiện điện tử phân tử dựa vào hiệu ứng chuyển mạch
1.2.4.3. Dây phân tử
1.2.4.4. Linh kiện điện tử phân tử hiệu ứng lượng tử
1.2.4.5. Linh kiện chuyển mạch và khuếch đại cơ điện tử phân tử
1.2.4.6. Rơle phân tử
1.2.4.7. Điôt phân tử
1.2.4.8. Chuyển mạch và yếu tố nhớ
1.2.4.9. Linh kiện ba chân
1.2.4.10. Linh kiện màng đơn phân tử
1.2.4.11. Vấn đề điện cực và tiếp xúc trong điện tử phân tử
1.2.5. Transistor phân tử
1.2.5.1. Một số nghiên cứu điển hình về transistor phân tử
1.2.5.2. Cấu tạo transistor phân tử
1.2.5.3. Nguyên lý làm việc của transistor phân tử
1.2.5.4. Hàm Fermi
1.2.6. Dòng điện IDS qua kênh dẫn của transistor phân tử
1.2.6.1. Mô tả định tính quá trình vận chuyển điện tích qua kênh phân tử
1.2.6.2. Phân tích dòng IDS trên cơ sở hàm Fermi
1.2.6.3. Dòng vào và dòng ra giữa kênh phân tử với hai điện cực D và S
1.2.6.4. Biểu thức dòng điện IDS qua kênh dẫn chứa một mức năng lượng etính cho một trạng thái spin
1.2.6.5. Tính lượng tử của độ dẫn
1.2.6.6. Điện thế trong kênh dẫn
1.2.6.7. Thuật toán vòng lặp
1.2.6.8. Tương tác Coulomb
1.2.6.9. Điều kiện để lựa chọn phương pháp giải phương trình IDS
1.2.6.10. Transistor kênh phân tử có kích thước nanô
CHƯƠNG 2: TRANSISTOR PHÂN TỬ VÒNG BENZENE
2.1. XÂY DỰNG MẪU TRANSISTOR PHÂN TỬ
2.2. CÁC THAM SỐ CỦA VẬT LIỆU LÀM KÊNH DẪN
2.2.1. Tham số tổng quát
2.2.2. Phần mềm mô phỏng hóa học CAChe
2.2.3. Các tham số của phân tử làm kênh dẫn xác định trong CAChe
2.2.4. Liên kết của phân tử với nguyên tử Vàng ở điện cực D và S
2.3. SỬ DỤNG GUI TRONG MATLAB ĐỂ MÔ PHỎNG TRANSISTOR PHÂN TỬ
2.3.1. Tạo Slider để nhập số liệu
2.3.2. Thuật toán của chương trình tính dòng IDS
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRANSISTOR PHÂN TỬ
3.1. HỌ ĐẶC TRƯNG DÒNG - THẾ CỦA TRANSISTOR PHÂN TỬ
3.1.1. Họ đặc trưng dòng - thế ở định dạng * . M file
3.1.2. Họ đặc trưng dòng - thế ở định dạng * . Fig file
3.1.3. Nhận xét về họ đặc trưng dòng – thế của transistor phân tử C6H4F
3.2. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN HỌ ĐẶC TRƯNG DÒNG - THẾ
3.3. ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ LƯỢNG TỬ HÓA KÍCH THƯỚC PHÂN TỬ LÊN HỌ ĐẶC TRƯNG DÒNG – THẾ
3.3.1. Sự lượng tử hóa kích thước của phân tử
3.3.2. Ảnh hưởng của sự lượng tử hóa kích thước dài phân tử lên đặctrưng dòng - thế
3.3.3. Ảnh hưởng của sự lượng tử hóa kích thước rộng phân tử lên đặctrưng dòng - thế
3.3.4 Kết quả mô phỏng transistor kênh phân tử C6H4Br
3.4. ĐỀ XUẤT VỀ MẶT THỰC NGHIỆM
KẾT LUẬN
DANH MỤC BÀI BÁO, CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
PHỤ LỤC A: CODE MATLAB CỦA CHƯƠNG TRÌNH TRONG LUẬN ÁN
PHỤ LỤC B: THIẾT KẾ VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ PHÂN TỬ TRONG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CACHE
PHỤ LỤC C: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRANSISTOR KÊNH PHÂN TỬ
---------------------------------------------------------
keyword: download luan an tien si vat ly,chuyen nganh, vat ly, vo tuyen, va dien tu,mo phong, transistor, phan tu vong, benzene, lien ket 1-4, voi cac nguyen to, thuoc nhom halogen, tran tien phuc
Nhận xét
Đăng nhận xét