ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
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
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
PTN CÔNG NGHỆ NANO
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
PHỤ LỤC: Code Matlab chương trình mô phỏng 65
ivDANH 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
ULSI
Single Electron Transistor
Ultra large-scale integration
vDANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng Mô tả Trang
1.1 Dự báo thế hệ công nghệ trích từ SIA’s ITRS. 6
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
SET.
26
vii
2.4 Biểu đồ các mức năng lượng của transistor đơn điện tử
SET.
28
2.5
Biểu đồ mức năng lượng của transistor đơn điện tử SET
với chấm lượng tử một mức.
32
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
một mức.
41
3.2
Lưu đồ khối giải thuật chương trình mô phỏng những đặc
trưng của transistor đơn điện tử SET.
45
d
– V
ds
– V
gs
của SET với V
ds
= 80mV,
V
gs
= 60mV và n = 4 tại T = 10K.
49
3.8 Dao động khóa Coulomb của SET. 50
3.9 Ảnh hưởng của các thông số W (W = 10, 15, 20,
25 nm) lên dao động Coulomb.
51
3.10 Ảnh hưởng của các thông số L (L = 10, 15, 20,
25 nm) lên dao động Coulomb.
52
3.11 Ảnh hưởng của các thông số t
ox
(t
ox
= 1, 3, 5,
7 nm) lên dao động Coulomb.
52
viii
3.12
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.
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
Năm 1999 2002 2005 2008 2011 2014
Thế hệ công nghệ
(µm)
0,18 0,13 0,10 0,07 0,05 0,035
Độ dày lớp oxide
cổng (nm)
1,9-2,5 1,5-1,9 1,0-1,5 0,8-1,2 0,6-0,8 0,5-0,6
Thế nguồn nuôi
(V)
1,5-1,8 1,2-1,5 0,9-1,2 0,6-0,9 0,5-0,6 0,3-0,6
Đường kính nền
(mm)
200 300 300 300 300 450
Mật độ transistor
lôgic của MPU
(cm
6,6M 18M 44M 109M 269M 664M
- 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
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:
L
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
Với C: điện dung của đảo [F].
Khi kích thước đảo có thể so với bước sóng de Broglie thì sự lượng tử hoá năng
lượng bên trong đảo trở nên đáng kể. Trong trường hợp này năng lượng bổ sung
điện tích E
được tính bởi công thức:
a
1.3
kca
EEE +=
Với E
k
: động năng lượng tử hay mức năng lượng của trạng thái mà điện tử
chiếm giữ khi được bổ sung vào đảo.
Đối với khí điện tử suy hao thì E
k
được tính bởi:
()
Vg
1
E
F
k
ε
=
1.4
Với V: thể tích đảo.
(
F
lượng tử (QD – Quantum Dot).
Vấn đề đặt ra hiện nay đối với công nghệ thiết kế vi mạch trong tương lai là
tích hợp các linh kiện đơn điện tử với mật độ cực lớn phải đối mặt với một số
vấn đề chính như: độ nhạy cao về thuộc tính truyền với sự thay đổi nhỏ về kích
thước hình dạng của chấm lượng tử. Do đó, khi phát triển linh kiện đơn điện tử
chúng ta cần quan tâm đến tỉ số để linh kiện hoạt động hiệu quả.
Tk/E
Ba
1.4.2. Cơ sở thuyết chính thống [8, 16]
Trong suốt quá trình phát triển linh kiện đơn điện tử hầu hết các mô hình
biểu diễn đặc trưng linh kiện đều dựa trên cơ sở thuyết chính thống được đề xuất
bởi Kulik và Shekhter. Cơ sở thuyết chính thống dựa trên các giả thuyết sau:
-
Bỏ qua sự lượng tử hoá năng lượng của các điện tử bên trong chấm lượng
tử, phổ năng lượng được xem như liên tục. Giả thuyết này đúng khi
hay .
Ck
EE <<
TkE
Bk
<<
-
Thời gian điện tử xuyên hầm qua rào
t
τ
nhỏ có thể bỏ qua. Giả thuyết này
đúng cho các rào xuyên hầm trong linh kiện đơn điện tử do
τ
-15
~ 10 s.
(
)
Tk
W
B
e1
e/WI
.
e
1
W
Δ−
−
Δ
=ΔΓ
1.6
(
)
2
VVe
W
ji
+
=Δ
Trong đó:
và V : độ giảm thế qua rào trước và sau khi điện tử xuyên hầm.
với V
i j
1.4.3. Hạn chế của thuyết chính thống
Một vài điểm mà linh kiện đơn điện tử không thể tính toán dựa trên thuyết
chính thống:
-
Xảy ra xuyên hầm cùng lúc qua các rào khác nhau dẫn đến tốc độ xuyên
hầm giảm đi (R
N-1
Q
/R) lần so với phương trình (1.6). Nếu phương trình
(1.5) được thoả mãn thì tỷ số này khá nhỏ, sự xuyên hầm có thể quan sát rõ
trong vùng khoá Coulomb.
-
Phổ năng lượng kích thích gián đoạn đối với đảo kích thước rất nhỏ động
năng lượng tử lớn so với năng lượng tích điện và năng lượng nhiệt. Thuyết
chính thống mở rộng sang xuyên hầm giữa đảo với phổ năng lượng kích
thích gián đoạn và điện cực lớn có phổ năng lượng liên tục. Lúc này tốc độ
xuyên hầm phụ thuộc vào các mức lượng tử năng lượng xác định được viết
lại như sau:
()
Tk
W
0
B
e1
1
W
Δ−
+
Γ=ΔΓ
kim loại bằng những tiếp xúc đường hầm, tất cả ở trên đỉnh của chất cách điện
với điện cực cổng bên dưới. Từ đó, điện dung của những SET kim loại được làm
giảm đi bởi sự lượng tử hóa điện tích rất nghiêm ngặt [11]. Hình 1.8: Cấu trúc
transistor đơn điện
tử SET.
16
Copyright: Tài liệu đại học ©