Tài liệu Mô phỏng transistor đơn điện tử (set) sử dụng phương pháp hàm green

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PTN CÔNG NGHỆ NANO VŨ THỊ NGỌC THU MÔ PHỎNG TRANSISTOR ĐƠN ĐIỆN TỬ (SET) SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP HÀM GREEN LUẬN VĂN THẠC SĨ Thành phố Hồ Chí Minh – 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PTN CÔNG NGHỆ NANO VŨ THỊ NGỌC THU MÔ PHỎNG TRANSISTOR ĐƠN ĐIỆN TỬ (SET) SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP HÀM GREEN Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô (Chuyên ngành đào tạo thí điểm) LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐINH SỸ HIỀN Thành phố Hồ Chí Minh – 2010 MỤC LỤC Trang phụ bìa Trang Lời cam đoan ................................................................................................... i Lời cảm ơn ....................................................................................................... ii Mục lục ........................................................................................................... iii Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ........................................................... v Danh mục các bảng ........................................................................................ vi Danh mục các hình vẽ, đồ thị ........................................................................ vii MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LINH KIỆN TRANSISTOR ĐƠN ĐIỆN TỬ ....................................................................................................... 4 1.1. Từ vi điện tử đến điện tử nano ................................................................ 4 1.2. Linh kiện điện tử nano ............................................................................. 7 1.3. Hoạt động truyền tải điện tử trong các hệ thống thang nanomet ............. 9 1.4. Cơ sở thuyết chính thống “Orthodox theory” ........................................ 10 1.4.1. Sự tích điện bên trong chấm lượng tử ......................................... 11 1.4.2. Cơ sở thuyết chính thống ............................................................. 13 1.4.3. Hạn chế của thuyết chính thống .................................................. 15 1.5. Tổng quan về những nghiên cứu liên quan đến transistor đơn điện tử ................................................................................................................. 16 Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC TÍNH DÒNG QUA TRANSISTOR ĐƠN ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP HÀM GREEN ............................................................................................. 19 2.1. Cơ sở xuyên hầm của điện tử trong linh kiện transistor đơn điện tử ..... 19 2.1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của transistor đơn điện tử ....... 19 2.1.2. Quan sát hiện tượng xuyên hầm .................................................. 21 iii 2.1.3. Điều kiện quan sát dao động xuyên hầm của đơn điện tử ........... 24 2.1.4. Nhận xét ....................................................................................... 25 2.2. Những khái niệm cơ bản của transistor đơn điện tử .............................. 25 2.2.1. Mô hình thông số của transistor đơn điện tử ............................... 26 2.2.2. Điều kiện hoạt động truyền tải điện tử ở chế độ chấm lượng tử ................................................................................................. 29 2.2.3. Tốc độ xuyên hầm của điện tử ..................................................... 29 2.3. Transistor đơn điện tử với chấm lượng tử một mức .............................. 30 2.3.1. Quan sát dao động Coulomb ........................................................ 31 2.3.2. Dòng qua chấm lượng tử một mức .............................................. 32 2.3.3. Chấm lượng tử với nhiều trạng thái tích điện: hình thoi Coulomb ..................................................................................... 37 2.4. Nhận xét ................................................................................................. 40 Chương 3: MÔ PHỎNG SỰ VẬN CHUYỂN ĐIỆN TỬ TRONG TRANSISTOR ĐƠN ĐIỆN TỬ ................................................................. 41 3.1. Mô hình tính dòng qua transistor đơn điện tử với chấm lượng tử một mức ........................................................................................................ 41 3.2. Mô phỏng những đặc trưng của transistor đơn điện tử trên phần mềm MATLAB ...................................................................................... 44 3.2.1. Lưu đồ giải thuật tính dòng qua transistor đơn điện tử ............... 45 3.2.2. Những đặc trưng của transistor đơn điện tử mô phỏng được ...... 46 3.2.3. Quan sát dao Coulomb của transistor đơn điện tử với chấm lượng tử một mức ....................................................................... 50 3.2.4. Quan sát vùng khoá Coulomb của transistor đơn điện tử với chấm lượng tử một mức .............................................................. 55 KẾT LUẬN ................................................................................................... 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 63 PHỤ LỤC: Code Matlab chương trình mô phỏng ....................................... 65 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor FET Field Effect Transistor GUI Graphical User Interfaces MATLAB MATrix LABoratory MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor MTs Molecular Transistors NEGF Non – Equilibrium Green’s Function RTD Resonant Tunneling Device RTT Resonant Tunneling Transistor QD Quantum Dot SET Single Electron Transistor ULSI Ultra large-scale integration v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Mô tả Dự báo thế hệ công nghệ trích từ SIA’s ITRS. vi Trang 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình vẽ Chú thích Trang Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LINH KIỆN TRANSISTOR ĐƠN ĐIỆN TỬ 1.1 Quy luật Moore cho thấy số transistor trên một chip điện 5 tử cứ 18 tháng tăng lên gấp đôi. 1.2 Số transistor trên một chip mạch vi điện tử tăng lên đi đôi 5 với kích thước transistor giảm. 1.3 Phân loại linh kiện điện tử có kích thước nanomet. 8 1.4 Sự tích điện của đảo trước và sau khi bổ sung điện tử. 11 1.5 Năng lượng của đảo sau khi bổ sung một điện tử. 12 1.6 Xuyên hầm của điện tử. 14 1.7 Xuyên hầm của điện tử từ phổ năng lượng gián đoạn 15 đến mức năng lượng Fermi liên tục. 1.8 Cấu trúc transistor đơn điện tử SET. 16 1.9 Độ dẫn của một transistor đơn điện tử như là một hàm 17 của điện thế cực cổng. Khoảng cách giữa các đỉnh là điện thế cần thiết để thêm một điện tử vào nguyên tử nhân tạo. Những kết quả này dành cho một loại linh kiện trong nghiên cứu của Meirav và các đồng sự. Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC TÍNH DÒNG ĐIỆN QUA TRANSISTOR ĐƠN ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP HÀM GREEN 2.1 Cấu trúc của transistor đơn điện tử SET. 19 2.2 Sự truyền tải điện tử trong transistor đơn điện tử SET. 23 2.3 Sơ đồ cấu trúc và các thông số của transistor đơn điện tử 26 SET. vii 2.4 Biểu đồ các mức năng lượng của transistor đơn điện tử 28 SET. 2.5 Biểu đồ mức năng lượng của transistor đơn điện tử SET 32 với chấm lượng tử một mức. 2.6 Dao động Coulomb. 32 2.7 Các giá trị của hàm phân bố Fermi. 36 2.8 Chấm lượng tử với ba trạng thái tích điện. 39 Chương 3: MÔ PHỎNG SỰ VẬN CHUYỂN ĐIỆN TỬ TRONG TRANSISTOR ĐƠN ĐIỆN TỬ 3.1 Sơ đồ cấu trúc và biểu đồ năng lượng của SET với chấm 41 một mức. 3.2 Lưu đồ khối giải thuật chương trình mô phỏng những đặc 45 trưng của transistor đơn điện tử SET. 3.3 Màn hình nền thể hiện kết quả mô phỏng những đặc 46 trưng của SET. 3.4 Đặc trưng Id – Vgs của SET với Vds = 5mV, n = 2 tại 47 T = 10K. 3.5 Đặc trưng Id – Vds của SET với Vgs = 5mV, n = 2 tại 48 T = 10K. 3.6 Độ dẫn G – Vds của SET với Vgs = 5mV, n = 2 tại 48 T = 10K. 3.7 Đặc trưng Id – Vds – Vgs của SET với Vds = 80mV, 49 Vgs = 60mV và n = 4 tại T = 10K. 3.8 Dao động khóa Coulomb của SET. 50 3.9 Ảnh hưởng của các thông số W (W = 10, 15, 20, 51 25 nm) lên dao động Coulomb. 3.10 Ảnh hưởng của các thông số L (L = 10, 15, 20, 52 25 nm) lên dao động Coulomb. 3.11 Ảnh hưởng của các thông số tox (tox = 1, 3, 5, 7 nm) lên dao động Coulomb. viii 52 3.12 Ảnh hưởng của vật liệu làm chấm lượng tử lên dao động 53 Coulomb. 3.13 Ảnh hưởng của điện thế thiên áp Vds lên dao động 54 Coulomb. 3.14 Ảnh hưởng của nhiệt độ T lên dao động Coulomb. 55 3.15 Khoá Coulomb trong trường hợp chấm lượng tử của SET 57 một mức có hai trạng thái tích điện. 3.16 Khoá Coulomb trong trường hợp chấm lượng tử có năm trạng thái tích điện. ix 59 MỞ ĐẦU Bắt đầu từ thập kỷ 80 của thế kỷ XX, nền khoa học và công nghệ thế giới đã đặc biệt chú ý tới một hướng nghiên cứu: phát triển kỳ lạ và lý thú mà ngày nay được gọi là khoa học và công nghệ nano. Những năm 1990, những ứng dụng quan trọng của công nghệ nano đã gây chấn động trong giới khoa học và kể từ đó nhiều nhà khoa học đã lấy khoa học và công nghệ nano làm mục tiêu nghiên cứu và chế tạo của mình. Khoa học và công nghệ nano đã và đang là hướng phát triển ưu tiên số một của nhiều quốc gia trên thế giới. Trong những năm gần đây, Chính phủ Việt Nam – thông qua Bộ khoa học và Công nghệ, Bộ Giáo dục và Đào tạo – đã nhận thức khoa học và công nghệ nano là một lĩnh vực rất cần được ưu tiên phát triển và đang tập trung vào ba vấn đề lớn: đào tạo thế hệ các nhà khoa học, tăng cường cơ sở vật chất cho một số phòng thí nghiệm và đầu tư kinh phí cho những nghiên cứu trọng điểm của quốc gia. Phòng thí nghiệm công nghệ nano LNT Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh khánh thành cuối năm 2006 đang tổ chức nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm về công nghệ nano, đặc biệt là linh kiện vi điện tử và linh kiện điện tử nano. Kế đến, Khu công nghệ cao Tp. Hồ Chí Minh đang được xây dựng với những cơ sở vật chất ban đầu rất triển vọng. Nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực nano đã và đang được thực hiện có kết quả. Khoa học và công nghệ nano về tương lai sẽ đóng một vai trò rất quan trọng trong các lĩnh vực vật lý, hoá học, vật liệu mới, điện tử, y học, cơ khí chế tạo, … Điện tử học nano – Nanoelectronics là một lĩnh vực hiện đang được nghiên cứu rất mạnh trên thế giới. Luận văn “Mô phỏng transistor đơn điện tử SET sử dụng phương pháp hàm Green” là một hướng nghiên cứu tương đối mới trong lĩnh vực công nghệ linh kiện điện tử nano. Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu về những linh kiện điện tử đơn điện tử có ba điện cực được gọi là transistor đơn điện tử (SET – Single Electron Transistor). Cấu trúc của transistor đơn điện tử SET được xây dựng có dạng như của MOSFET truyền thống và được đề xuất thay thế cho MOSFET truyền thống trong tương lai. Transistor đơn điện tử SET là linh kiện đơn điện tử có khả năng 1 điều khiển chuyển động của từng điện tử, hoạt động dựa trên hiệu ứng đường hầm, kích thước rất nhỏ (thang nanomet) và tiêu tán công suất cực kỳ thấp. Với những đặc điểm nổi bật trên đã mở ra một hướng nghiên cứu linh kiện điện tử mới cho ứng dụng trong thiết kế vi mạch. Bên cạnh đó linh kiện điện tử SET có đặc trưng hoàn toàn khác liên quan đến dao động khóa Coulomb. Cấu trúc transistor đơn điện tử SET gồm một chấm lượng tử gọi là đảo “island” được bao quanh gồm ba điện cực: điện cực nguồn (S – Source), điện cực máng (D – Drain) và điện cực cổng (G – Gate). Điện cực nguồn S và điện cực máng D được ghép với chấm lượng tử bằng hai tiếp xúc đường hầm nên điện tử có thể từ các điện cực này xuyên hầm vào chấm hay ngược lại. Điện cực cổng G được cách ly với chấm lượng tử bởi lớp cách điện Silicon dioxide SiO2, lớp oxide cách điện ngăn cản không cho điện tử đi từ điện cực này vào chấm hay ngược lại. Luận văn sử dụng lý thuyết của hàm Green trạng thái không cân bằng (The Non-Equilibrium Green’s Function – NEGF) xây dựng mô hình toán học tính dòng qua transistor đơn điện tử SET. Từ mô hình toán học tính dòng qua transistor đơn điện tử SET, xây dựng nên bộ mô phỏng những đặc trưng dòng – thế cho transistor đơn điện tử SET dựa trên nền phần mềm MATLAB. Từ những kết quả mô phỏng xem xét ảnh hưởng các tham số kích thước, nhiệt độ, vật liệu làm chấm lượng tử và điện thế điều khiển ở điện cực cổng G, điện cực nguồn S và điện cực máng D lên đặc tuyến dòng – thế của linh kiện transistor đơn điện tử SET. Nội dung luận văn “Mô phỏng transistor đơn điện tử (SET) sử dụng phương pháp hàm Green” được trình bày gồm: • Lời mở đầu. • Chương 1: Tổng quan về linh kiện transistor đơn điện tử. • Chương 2: Xây dựng mô hình toán học tính dòng điện qua transistor đơn điện tử sử dụng phương pháp hàm Green. • Chương 3: Mô phỏng sự vận chuyển điện tử trong transistor đơn điện tử. • Kết luận. • Tài liệu tham khảo. • Phụ lục. 2 Hiện nay để tiếp cận với quy trình chế tạo linh kiện điện tử có kích thước ở thang nanomet vẫn còn gặp nhiều khó khăn. Bên cạnh đó việc khai thác các tính chất vật lý của các vật liệu mới cho việc chế tạo linh kiện điện tử đưa vào mô hình tính toán xây dựng bộ mô phỏng linh kiện thực là vấn đề đặt ra hiện nay. Mô phỏng là một công cụ quan trọng giúp những nhà khoa học có khả năng rút ngắn thời gian và giảm chi phí nghiên cứu một cách đáng kể. Mô hình giới thiệu trong đề tài bị giới hạn khảo sát hoạt động truyền tải của từng điện tử ở điều kiện thế thiên áp và nhiệt độ thấp. Tuy đã rất cố gắng trong quá trình thực hiện đề tài, xong không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy giáo, cô giáo và các bạn đọc để tác giả có thể nghiên cứu sâu hơn, đi xa hơn trong lĩnh vực công nghệ linh kiện điện tử nano. 3 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ LINH KIỆN TRANSISTOR ĐƠN ĐIỆN TỬ 1.1. TỪ VI ĐIỆN TỬ ĐẾN ĐIỆN TỬ NANO Khoa học và đời sống đòi hỏi có các thiết bị điện tử siêu nhỏ, tiêu tán công suất thấp, hiệu suất sử dụng năng lượng cao, hoạt động ổn định ở dải nhiệt độ rộng, trong môi trường có áp lực lớn hay chân không. Đó là động lực thúc đẩy mạnh mẽ những nghiên cứu về linh kiện điện tử [1, 3]. Từ những năm 1960 của thế kỷ XX có một công nghệ nổi trội, ảnh hưởng to lớn đến nhiều ngành công nghệ khác, làm thay đổi cả đời sống xã hội, đó là công nghệ vi điện tử. Nhờ có công nghệ vi điện tử mới có công nghệ thông tin, công nghệ thông tin đã làm cho xã hội trở thành xã hội thông tin, xuất hiện nền kinh tế tri thức, xu thế toàn cầu hoá. Một trong những thành tựu cực kỳ to lớn trong lĩnh vực chế tạo vi điện tử bán dẫn trong suốt ba thập kỷ qua dựa trên linh kiện transistor hiệu ứng trường MOSFET làm tăng mật độ tích hợp linh kiện trong chip số và bộ nhớ [1]. Những phát triển nhanh chóng của xã hội hiện nay đều liên quan đến sự phát triển của công nghệ vi điện tử, công nghệ mới từ gần bốn mươi năm qua luôn phát triển theo hàm mũ. Thật vậy, từ cuối những năm 1960, Gordon Moore người đồng sáng lập hãng Intel (Mỹ) đã đưa ra nhận xét, về sau người ta gọi là quy luật Moore: cứ 18 tháng số transistor trên một chip điện tử tăng lên gấp đôi [3, 6]. Cho đến nay, quy luật đó vẫn được thực tế nghiệm đúng. Số transistor tích hợp trên một chip tăng nhanh như vậy, tất nhiên là đi đôi với việc diện tích cần cho một transistor ở trên chip cũng giảm theo hàm mũ. 4 Hình 1.1: Quy luật Moore cho thấy số transistor trên một chip điện tử cứ 18 tháng tăng lên gấp đôi. Hình 1.2: Số transistor trên một chip điện tử tăng lên đi đôi với kích thước transistor giảm. Như vậy, theo quy luật Moore và đúng như diễn biến thực tế của công nghệ vi điện tử, kích thước một linh kiện điện tử trong mạch tích hợp đến nay đã nhỏ hơn micromet và nếu cứ theo đúng quy luật Moore thì đến năm 2010, kích 5 thước linh kiện chỉ vài phần trăm micromet. Theo dự báo của Hiệp hội Công nghệ bán dẫn quốc tế (ITRS – SIA’s International Technology Roadmap for Semiconductors) kích thước của transistor có thể giảm xuống dưới 100nm (cỡ 30nm đến 50nm), chiều dài của điện cực cổng G của MOSFET sẽ dưới 10nm đến năm 2014 (bảng 1.1) [6]. Thực tế hiện nay kích thước transistor đã giảm đến 45nm. Bảng 1.1: Dự báo các thế hệ công nghệ trích từ SIA’s ITRS [6] Năm Thế hệ công nghệ (µm) Độ dày lớp oxide cổng (nm) Thế nguồn nuôi (V) Đường kính nền (mm) 1999 2002 2005 2008 2011 2014 0,18 0,13 0,10 0,07 0,05 0,035 1,9-2,5 1,5-1,9 1,0-1,5 0,8-1,2 0,6-0,8 0,5-0,6 1,5-1,8 1,2-1,5 0,9-1,2 0,6-0,9 0,5-0,6 0,3-0,6 200 300 300 300 300 450 18M 44M 109M 269M 664M Mật độ transistor lôgic của MPU 6,6M (cm- 2) Kích thước linh kiện cứ nhỏ đi mãi khi đạt đến thang nanomet như vậy thì bản thân linh kiện và mạch tích hợp gặp phải những vấn đề: - Kích thước linh kiện càng nhỏ thì việc chế tạo càng đòi hỏi tinh vi, chính xác và như vậy rất đắt tiền. Thực tế cho thấy trong thời gian qua, khi số linh kiện trên một chip điện tử cứ 18 tháng tăng gấp đôi thì giá thành của một nhà máy chế tạo chip cũng tăng lên theo hàm mũ: cứ 3 năm tăng lên gấp đôi. Tiền bán chip không bù lại được chi phí chế tạo dẫn đến bế tắc về kinh tế. - Về mặt kỹ thuật, khi kích thước linh kiện điện tử như transistor giảm đến một mức quá nhỏ nào đó thì bản thân linh kiện và mạch tích hợp gặp những vấn đề như: điện trường cao đánh thủng thác lũ tràn dòng làm hỏng luỹ tuyến linh kiện, tiêu tán nhiệt, vùng nghèo co lại dẫn đến xuyên hầm theo 6 cơ học lượng tử, các hiệu ứng lượng tử thể hiện mạnh, lớp oxide mỏng dưới cổng làm điện tử rò rỉ từ điện cực cổng đến điện cực máng, … linh kiện sẽ không làm việc như cũ được nữa. Khó khăn này của công nghệ vi điện tử là không thể vượt qua về mặt nguyên tắc. Việc khai thác hiệu ứng lượng tử trong vận chuyển hạt tải điện đang mở ra hướng phát triển mới cho các linh kiện điện tử kích thước nanomet. 1.2. LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANO Khi kích thước linh kiện điện tử đạt đến thang nanomet hay thang phân tử thì các tính chất của chất bán dẫn khối được thay thế bởi các tính chất của cơ học lượng tử. Những tính chất kèm theo các chất bán dẫn pha tạp ít ảnh hưởng đến hoạt động truyền tải hạt mang điện trong linh kiện, những hiệu ứng của cơ học lượng tử như lượng tử hoá năng lượng và hiệu ứng đường hầm trở nên có ý nghĩa. Đây cũng chính là ưu điểm nổi bật cho việc khai thác linh kiện điện tử mới với nguyên tắc hoạt động hoàn toàn khác dựa trên nền tảng cơ học lượng tử [3]. Do nhu cầu tăng mật độ linh kiện trên một chip điện tử trong tương lai những nhà nghiên cứu đã không ngừng đưa ra những mô hình lý thuyết chuẩn nhằm tạo nên nền tảng để nghiên cứu sâu linh kiện điện tử mới. Một trong các thuyết chuẩn làm nền cho mô hình phân tích linh kiện điện tử thang nanomet hay thang phân tử sau này đó là thuyết chính thống “Orthodox Theory”. 7 Hình 1.3: Phân loại linh kiện điện tử có kích thước nanomet. Thuyết chính thống được đề xuất bởi Kulik và Shekhter, họ đã đưa ra một quy luật đồng nhất đơn giản nhưng rất hiệu quả trong việc khai thác linh kiện điện tử ở thang nanomet hoạt động dựa vào những hiệu ứng cơ học lượng tử. Khắc phục những trở ngại phát sinh trong quá trình thu nhỏ kích thước linh kiện điện tử bán dẫn khối, một số nghiên cứu gần đây đã đưa ra nhiều mô hình linh kiện thang nanomet có khả năng thay thế cho linh kiện CMOS trong thiết kế vi mạch như: - Tiếp tục con đường vật lý chất rắn dùng các vật liệu bán dẫn làm các linh kiện hoạt động theo những nguyên lý mới, dựa theo hiệu ứng lượng tử để 8 đạt đến kích thước nano. Hiện nay, bắt đầu xuất hiện các linh kiện như: Chấm lượng tử (Quantum Dot – QD), transistor đơn điện tử (Single Electron Transistor – SET), linh kiện đường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Device – RTD), có thể làm linh kiện lai giữa vi điện tử và điện tử nano là transistor đường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Transistor – RTT) gồm transistor hiệu ứng trường FET ghép với nhiều linh kiện đường hầm cộng hưởng RTD. Hoặc cũng theo con đường của vật lý chất rắn nhưng chuyển sang điều khiển spin của điện tử bằng điện trường: Spin điện tử học. - Dùng phân tử để làm linh kiện, gọi là điện tử học kích thước phân tử (Molecular Scale Electronics) đại điện là transistor phân tử (Molecular transistors – MTs). Cũng là kích thước nano, cũng là tính chất lượng tử nhưng thuộc thế giới phân tử, có nhiều đặc thù mà thế giới vật rắn không có [3]. Điện tử phân tử là cách tiếp cận tương đối mới có thể thay đổi cả nguyên tắc hoạt động lẫn vật liệu được sử dụng trong linh kiện điện tử phân tử. Hai thách thức có ý nghĩa là phải chế tạo ra các cấu trúc phân tử hoạt động giống như chuyển mạch điện, như diode hay transistor và phải lắp ráp các phân tử này thành những cấu trúc mở rộng chính xác với độ tin cậy cao. 1.3. HOẠT ĐỘNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN TỬ TRONG CÁC HỆ THỐNG THANG NANOMET Đối với các hệ vĩ mô độ dẫn điện G tuân theo định luật Ohm. Xét vật dẫn dạng tấm chữ nhật có độ dẫn điện G tỉ lệ thuận với bề rộng W và tỉ lệ nghịch với bề dài L của vật dẫn, được biểu diễn theo công thức sau: G = σW L 1.1 Với σ : dẫn suất của vật dẫn được đo bằng mật độ hạt mang điện và đường dẫn tự do trung bình [7, 15]. Nếu kích thước của hệ bị thu nhỏ cỡ bước sóng de Broglie, các quy luật của cơ học lượng tử bắt đầu xuất hiện làm thay đổi hầu hết các tính chất điện tử của hệ. Khi vật dẫn có kích thước ở thang nanomet hay thang phân tử thì chuyển động của điện tử không còn tuân theo định luật Ohm [15]. Một số nguyên nhân 9 sau cho thấy định luật Ohm không còn đúng cho những vật dẫn kích thước cực kỳ nhỏ: - Kích thước vật dẫn nhỏ hơn đường dẫn tự do trung bình. Kết quả quá trình truyền tải điện tử ở chế độ đạn đạo không bị tán xạ như mô tả trong định luật Ohm. - Sự tiếp xúc giữa các điện cực lớn và vùng dẫn nhỏ trong linh kiện thang nanomet ảnh hưởng rất nhiều tới độ dẫn G. Do đó, vấn đề đặt ra là cần phải khảo sát sự vận chuyển của điện tử qua các tiếp xúc là cực kỳ quan trọng. - Vật dẫn thang nanomet có năng lượng tích điện đáng kể so với năng lượng của hệ và phổ năng lượng kích thích bị lượng tử chịu ảnh hưởng rất nhiều vào nhiệt độ. Vấn đề nghiên cứu hoạt động truyền tải điện tử trong các vật dẫn kích thước thang nanomet hiện đang được quan tâm. Khi bức màn này được mở ra nó sẽ đóng góp cho sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đặc biệt ứng dụng trong lĩnh vực thiết kế vi mạch điện tử. Trong những năm gần đây rất nhiều nhà khoa học đã tiến hành phân tích hoạt động truyền tải điện tử dựa trên cơ sở vật lý chất rắn kết hợp với cơ học lượng tử. Hiện có nhiều hệ vi mô được đưa vào nghiên cứu như cấu trúc thang nanomet ở thể rắn cũng như cấu trúc nano hóa học như carbon nanotube và tinh thể nano. Trong phần sau ta sẽ tập trung tìm hiểu về linh kiện điện tử kích thước thang nanomet đó là linh kiện transistor đơn điện tử (SET – Single Electron Transistor). SET có kích thước thang nanomet là linh kiện đơn điện tử tương lai sẽ thay thế MOSFET trong thiết kế vi mạch. SET là linh kiện đơn điện tử có khả năng điều khiển chuyển động của từng điện tử, hoạt động dựa trên hiệu ứng đường hầm, kích thước thang nanomet, tốc độ rất nhanh và tiêu tán công suất cực kỳ thấp. Trước khi đi vào tìm hiểu linh kiện điện tử SET, tác giả trình bày sơ lược thuyết chính thống [8] là cơ sở cho hoạt động truyền tải hạt mang điện trong linh kiện đơn điện tử. 1.4. CƠ SỞ THUYẾT CHÍNH THỐNG “ORTHODOX THEORY” [8] Thuyết chính thống được đề xuất bởi Kulik và Shekhter, họ đã đưa ra một 10 quy luật đồng nhất đơn giản nhưng rất hiệu quả trong việc khai thác linh kiện điện tử ở thang nanomet hoạt động dựa vào những hiệu ứng cơ học lượng tử. Những thao tác trên linh kiện đơn điện tử được phân tích trong một số thí nghiệm do Robert Millikan khởi xướng vào những năm đầu thế kỷ 19, nhưng mạch ứng dụng linh kiện đơn điện tử ở trạng thái rắn vẫn chưa được thực hiện mãi cho đến cuối năm 1980 mặc dù một số công trình nghiên cứu cơ bản hoàn chỉnh đã được đưa ra trước đó. Lý do chính của sự trì hoãn này đó là quy trình chế tạo linh kiện thang nanomet bị hạn chế. Trong hai thập kỷ qua kỹ thuật chế tạo linh kiện điện tử thang nanomet khả thi đã mở ra kỷ nguyên mới cho vật lý chất rắn đặc biệt ứng dụng cho linh kiện đơn điện tử [8, 16]. 1.4.1. Sự tích điện bên trong chấm lượng tử Thành phần cơ bản của linh kiện đơn điện tử là một vùng dẫn nhỏ còn gọi là đảo ‘island’. Đảo được làm bằng các loại vật liệu như kim loại, bán dẫn, … có khả năng giam giữ điện tử. Bên trong đảo chứa các điện tử và ion tạo nên lưới tinh thể, các điện tử linh động trong đảo tạo thành đám mây với kích thước nhỏ hơn đảo. Đám mây điện tử bị bao quanh bởi vùng nghèo do đó điện tử trong đám mây bị đẩy từ bề mặt về tập trung trên biên của đảo ngăn cản các điện tử vào hay ra khỏi đảo. Điện trường bên trong đảo phụ thuộc vào số điện tử bị giam giữ và số điện tử đi vào đảo do tác dụng của ngoại lực F. Trong linh kiện đơn điện tử để một điện tử đi từ ngoài vào đảo phải xuyên hầm qua một rào năng lượng tạo bởi lớp cách điện mỏng điện tích Q của đảo bằng - e. Như đã biết điện trường E của đảo tỉ lệ nghịch với bình phương kích thước đảo. Do đó, điện trường E sẽ tăng đáng kể đối với linh kiện cấu trúc thang nanomet. Hình 1.4: Sự tích điện của đảo trước và sau khi bổ sung điện tử. Xét một đảo dạng hình cầu bán kính 10nm đặt trong môi trường chân không thì điện trường E do đảo sinh ra khi bổ sung thêm một điện tử lên tới 140kV/cm. 11