Luận án Tiến sĩ Vật lý: Mô phỏng transistor phân tử vòng benzene liên kết 1-4 với các nguyên tố thuộc nhóm halogen

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:178

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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. Luận án tập trung nghiên cứu mô phỏng transistor phân tử vòng benzene liên kết 1-4 với các nguyên tố thuộc nhóm halogen

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Mô phỏng transistor phân tử vòng benzene liên kết 1-4 với các nguyên tố thuộc nhóm halogen

ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIAcTP. HOÀ CHÍ MINH TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC KHOA HOÏC TÖÏ NHIEÂN TRAÀN TIEÁN PHÖÙC MOÂ PHOÛNG TRANSISTOR PHAÂN TÖÛ VOØNG BENZENE LIEÂN KEÁT 1-4 VÔÙI CAÙC NGUYEÂN TOÁ THUOÄC NHOÙM HALOGEN LUAÄN AÙN TIEÁN SÓ VAÄT LYÙ TP. HOÀ CHÍ MINH - 2008
ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIA TP. HOÀ CHÍ MINH TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC KHOA HOÏC TÖÏ NHIEÂN TRAÀN TIEÁN PHÖÙC MOÂ PHOÛNG TRANSISTOR PHAÂN TÖÛ VOØNG BENZENE LIEÂN KEÁT 1-4 VÔÙI CAÙC NGUYEÂN TOÁ THUOÄC NHOÙM HALOGEN Chuyeân ngaønh: Vaät lyù voâ tuyeán vaø ñieän töû Maõ soá: 62 44 03 01 LUAÄN AÙN TIEÁN SÓ VAÄT LYÙ CAÙN BOÄ HÖÔÙNG DAÃN KHOA HOÏC PGS. TS. Ñinh Syõ Hieàn TP. HOÀ CHÍ MINH - 2008
i LÔØI CAM ÑOAN Toâi xin cam ñoan ñaây laø coâng trình nghieân cöùu cuûa chính baûn thaân. Caùc soá lieäu, keát quaû trình baøy trong luaän aùn laø trung thöïc vaø chöa töøng ñöôïc ai coâng boá trong baát kyø coâng trình naøo khaùc tröôùc ñaây. Taùc giaû luaän aùn Traàn Tieán Phöùc
ii Lôøi caûm ôn! Toâi xin baøy toû loøng bieát ôn chaân thaønh tôùi PGS.TS. Ñinh Syõ Hieàn – ngöôøi ñaõ chæ höôùng, dìu daét vaø giuùp ñôõ toâi trong suoát quaù trình hoïc taäp vaø nghieân cöùu ñeå thöïc hieän luaän aùn naøy. Toâi xin chaân thaønh caûm ôn PGS.TS. Nguyeãn Höõu Phöông, GS.TS. Leâ Khaéc Bình, GS.TS. Nguyeãn Ñaïi Höng, PGS.TS. Traàn Hoaøng Haûi, GS.TS. Ñaëng Löông Moâ vaø TS. Leâ Höõu Phuùc; caùc Thaày Giaùo, Coâ Giaùo trong Khoa Ñieän töû - Vieãn thoâng; caùc caùn boä Phoøng Ñaøo taïo Sau Ñaïi hoïc cuûa Tröôøng Ñaïi hoïc Khoa hoïc Töï nhieân; Phoøng thí nghieäm Coâng ngheä nanoâ thuoäc Ñaïi hoïc Quoác gia Tp. HCM ñaõ giuùp ñôõ toâi suoát quaù trình hoïc taäp vaø nghieân cöùu ñeå hoaøn thaønh luaän aùn. Toâi xin chaân thaønh caûm ôn ThS. Phaïm Thaønh Trung, ThS. Buøi An Ñoâng vaø CN. Ñinh Vieät Nga laø caùc thaønh vieân trong nhoùm nghieân cöùu cuûa ñeà taøi “Xaây döïng phaàn meàm moâ phoûng NEMO-VN cho linh kieän ñieän töû nanoâ”. Toâi xin chaân thaønh caûm ôn nhöõng yù kieán quyù baùu veà transistor phaân töû cuûa GS. TS. Phan Hoàng Khoâi, Vieän Khoa hoïc Vaät lieäu, Vieän KH&CNVN. Toâi xin chaân thaønh caûm ôn Ph.D. Gerhard Klimeck - Technical Director for the Network for Computational Nanotechnology - ñaõ coù thö ñoäng vieân khích leä vaø cung caáp password ñeå toâi coù ñieàu kieän tieáp caän vaø caäp nhaät thoâng tin veà linh kieän ñieän töû nanoâ treân trang WEB: https://www.nanohub.org. Toâi xin chaân thaønh caûm ôn Ph.D. Supriyo Datta veà nhöõng baøi giaûng trong lónh vöïc “Quantum Transport: Atom to Transistor” cuøng nhöõng nhaän xeùt, goùp yù cuûa Giaùo sö veà transistor phaân töû voøng benzene trong luaän aùn naøy. Toâi ñaëc bieät caûm ôn Gia ñình vaø Baïn höõu ñaõ ñoäng vieân, giuùp ñôõ nhöõng luùc gaëp khoù khaên trong suoát thôøi gian theo hoïc vaø thöïc hieän luaän aùn. NCS. Traàn Tieán Phöùc
iii MUÏC LUÏC MÔÛ ÑAÀU ........................................................................................................................................................................................ 1 CHÖÔNG 1: TOÅNG QUAN VEÀ LINH KIEÄN ÑIEÄN TÖÛ NANOÂ ............................................ 5 1.1. GIÔÙI THIEÄU CHUNG ......................................................................................................................................... 5 1.2. LINH KIEÄN ÑIEÄN TÖÛ NANOÂ..................................................................................................................... 6 1.2.1. Nhöõng haïn cheá cuûa coâng ngheä vi ñieän töû ................................................................................... 6 1.2.2. Khaùi quaùt vaø phaân loaïi linh kieän ñieän nanoâ ............................................................................ 7 1.2.3. Linh kieän ñieän töû nanoâ baùn daãn hieäu öùng löôïng töû ........................................................... 8 1.2.3.1. Ñaûo, gieáng theá vaø caùc hieäu öùng löôïng töû ......................................................................... 9 1.2.3.2. Linh kieän ñöôøng haàm coäng höôûng ........................................................................................ 11 1.2.3.3. Hieäu öùng naêng löôïng trong caùc linh kieän löôïng töû .............................................. 16 1.2.3.4. Nhöõng vaán ñeà noåi baät ñoái vôùi linh kieän ñieän töû nanoâ baùn daãn.................. 23 1.2.3.5 OÁng nanoâ Cacbon ................................................................................................................................ 25 1.2.4. Ñieän töû phaân töû................................................................................................................................................. 30 1.2.4.1. Phaân loaïi linh kieän ñieän töû phaân töû döïa vaøo caáu truùc vaät lieäu ................. 31 1.2.4.2. Phaân loaïi linh kieän ñieän töû phaân töû döïa vaøo hieäu öùng chuyeån maïch.. 33 1.2.4.3. Daây phaân töû ............................................................................................................................................... 34 1.2.4.4. Linh kieän ñieän töû phaân töû hieäu öùng löôïng töû .............................................................. 35 1.2.4.5. Linh kieän chuyeån maïch vaø khueách ñaïi cô ñieän töû phaân töû ............................ 35 1.2.4.6. Rôle phaân töû .............................................................................................................................................. 36 1.2.4.7. Ñioât phaân töû .............................................................................................................................................. 37 1.2.4.8. Chuyeån maïch vaø yeáu toá nhôù ....................................................................................................... 38 1.2.4.9. Linh kieän ba chaân ................................................................................................................................. 39 1.2.4.10. Linh kieän maøng ñôn phaân töû ...................................................................................................... 40 1.2.4.11. Vaán ñeà ñieän cöïc vaø tieáp xuùc trong ñieän töû phaân töû .............................................. 42 1.2.5. Transistor phaân töû ......................................................................................................................................... 43 1.2.5.1. Moät soá nghieân cöùu ñieån hình veà transistor phaân töû ............................................. 43 1.2.5.2. Caáu taïo transistor phaân töû .......................................................................................................... 47 1.2.5.3. Nguyeân lyù laøm vieäc cuûa transistor phaân töû .................................................................. 50 1.2.5.4. Haøm Fermi ................................................................................................................................................. 53 1.2.6. Doøng ñieän IDS qua keânh daãn cuûa transistor phaân töû ..................................................... 54 1.2.6.1. Moâ taû ñònh tính quaù trình vaän chuyeån ñieän tích qua keânh phaân töû ....... 54 1.2.6.2. Phaân tích doøng IDS treân cô sôû haøm Fermi ..................................................................... 55 1.2.6.3. Doøng vaøo vaø doøng ra giöõa keânh phaân töû vôùi hai ñieän cöïc D vaø S ......... 56 1.2.6.4. Bieåu thöùc doøng ñieän IDS qua keânh daãn chöùa moät möùc naêng löôïng ε tính cho moät traïng thaùi spin ....................................................................................................... 58
iv 1.2.6.5. Tính löôïng töû cuûa ñoä daãn.............................................................................................................. 60 1.2.6.6. Ñieän theá trong keânh daãn ................................................................................................................ 63 1.2.6.7. Thuaät toaùn voøng laëp........................................................................................................................... 66 1.2.6.8. Töông taùc Coulomb ............................................................................................................................ 67 1.2.6.9. Ñieàu kieän ñeå löïa choïn phöông phaùp giaûi phöông trình IDS........................... 69 1.2.6.10. Transistor keânh phaân töû coù kích thöôùc nanoâ .............................................................. 71 CHÖÔNG 2: TRANSISTOR PHAÂN TÖÛ VOØNG BENZENE ................................................... 74 2.1. XAÂY DÖÏNG MAÃU TRANSISTOR PHAÂN TÖÛ ........................................................................ 74 2.2. CAÙC THAM SOÁ CUÛA VAÄT LIEÄU LAØM KEÂNH DAÃN ..................................................... 76 2.2.1. Tham soá toång quaùt ......................................................................................................................................... 76 2.2.2. Phaàn meàm moâ phoûng hoùa hoïc CAChe ........................................................................................ 77 2.2.3. Caùc tham soá cuûa phaân töû laøm keânh daãn xaùc ñònh trong CAChe ........................ 78 2.2.4. Lieân keát cuûa phaân töû vôùi nguyeân töû Vaøng ôû ñieän cöïc D vaø S ................................ 84 2.3. SÖÛ DUÏNG GUI TRONG MATLAB ÑEÅ MOÂ PHOÛNG .................................... TRANSISTOR PHAÂN TÖÛ ........................................................................................................................... 86 2.3.1. Taïo Slider ñeå nhaäp soá lieäu ..................................................................................................................... 86 2.3.2. Thuaät toaùn cuûa chöông trình tính doøng IDS ............................................................................ 87 CHÖÔNG 3: KEÁT QUAÛ MOÂ PHOÛNG TRANSISTOR PHAÂN TÖÛ .................................... 92 3.1. HOÏ ÑAËC TRÖNG DOØNG - THEÁ CUÛA TRANSISTOR PHAÂN TÖÛ ...................... 92 3.1.1. Hoï ñaëc tröng doøng - theá ôû ñònh daïng *.m file ..................................................................... 93 3.1.2. Hoï ñaëc tröng doøng - theá ôû ñònh daïng *.fig file ................................................................... 94 3.1.3. Nhaän xeùt veà hoï ñaëc tröng doøng – theá cuûa transistor phaân töû C6H4F2 .......... 96 3.2. AÛNH HÖÔÛNG CUÛA NHIEÄT ÑOÄ LEÂN HOÏ ÑAËC TRÖNG DOØNG - THEÁ ...... 97 3.3. AÛNH HÖÔÛNG CUÛA SÖÏ LÖÔÏNG TÖÛ HOÙA KÍCH THÖÔÙC PHAÂN TÖÛ LEÂN HOÏ ÑAËC TRÖNG DOØNG – THEÁ .........................................................................................100 3.3.1. Söï löôïng töû hoùa kích thöôùc cuûa phaân töû ................................................................................100 3.3.2. AÛnh höôûng cuûa söï löôïng töû hoùa kích thöôùc daøi phaân töû leân ñaëc tröng doøng - theá ..............................................................................................................................................102 3.3.3. AÛnh höôûng cuûa söï löôïng töû hoùa kích thöôùc roäng phaân töû leân ñaëc tröng doøng - theá ..............................................................................................................................................104 3.3.4 Keát quaû moâ phoûng transistor keânh phaân töû C6H4Br2 .................................................106 3.4. ÑEÀ XUAÁT VEÀ MAËT THÖÏC NGHIEÄM .........................................................................................109 KEÁT LUAÄN ............................................................................................................................................................................111 DANH MUÏC BAØI BAÙO, COÂNG TRÌNH ÑAÕ COÂNG BOÁ ........................................................114 TAØI LIEÄU THAM KHAÛO ........................................................................................................................................116
v PHUÏ LUÏC .................................................................................................................................................................................120 PHUÏ LUÏC A: CODE MATLAB CUÛA CHÖÔNG TRÌNH TRONG LUAÄN AÙN ..........................................................................................................................................120 PHUÏ LUÏC B: THIEÁT KEÁ VAØ XAÙC ÑÒNH CAÙC THAM SOÁ PHAÂN TÖÛ TRONG PHAÀN MEÀM MOÂ PHOÛNG CACHE..........................................................................145 PHUÏ LUÏC C: KEÁT QUAÛ MOÂ PHOÛNG TRANSISTOR KEÂNH PHAÂN TÖÛ ............157
vi DANH MUÏC CAÙC KYÙ HIEÄU Caùc haèng soá cô baûn q ñieän tích cuûa ñieän töû 1,602 × 10-19 C h haèng soá Planck 6,626 × 10-34 J s ћ h / 2π 1,055 × 10-34 J s m khoái löôïng cuûa ñieän töû töï do 9,11 × 10-31 kg εo haèng soá ñieän moâi cuûa chaân khoâng 8,854 × 10-12 F/m G0 = q2 / h löôïng töû ñoä daãn 38,7 × 10-6 S = 1 / (25,8 × 103 Ω) S=1/Ω=A/V Coâng thöùc hoùa hoïc F Fluorine Cl Chlorine Br Bromine I Iodion C6H4F2 Difluorobenzene C6H4Cl2 Dichlorobenzene C6H4Br2 Dibromobenzene C6H4I2 Diiodobenzene
vii DANH MUÏC CAÙC CHÖÕ VIEÁT TAÉT Chöõ vieát taét Tieáng Anh Nghóa tieáng Vieät CB Coulomb blockade Caám Coulomb Complementary Metal Oxide CMOS Baùn daãn oxit kim loaïi boå sung Semiconductor CNT Carbon NanoTube OÁng nanoâ cacbon Carbon NanoTube Field Effect Transistor hieäu öùng tröôøng CNTFET Transistor duøng oáng nanoâ cacbon D Drain Cöïc maùng Erasable Progammable Rread - Boä nhôù ROM xoùa ñöôïc vaø laäp EPROM Only Memory trình ñöôïc FET Field Effect Transistor Transistor hieäu öùng tröôøng G Gate Cöïc coång GUI Graphic user interface Giao dieän ngöôøi duøng HME Hybrid Molecular Electronics Ñieän töû phaân töû lai Highest Occupied Molecular Möùc naêng löôïng cao nhaát HOMO Orbital trong vuøng hoùa trò (vuøng ñaày) Kính hieån vi ñieän töû truyeàn HRTEM High Resolution TEM qua khaû naêng phaân giaûi cao LB Langmuir – Blodget Maøng Langmuir – Blodget Lowest Unoccupied Molecular Möùc naêng löôïng thaáp nhaát LUMO Orbital trong vuøng daãn (vuøng troáng) MATLAB Matrix laboratory Phaàn meàm tính toaùn döôùi daïng ma traän MME Mono Molecular Electronics Ñieän töû ñôn phaân töû
viii Metal-Oxide-Semiconductor Field Transistor hieäu öùng tröôøng MOSFET Effect Transistor kim loaïi-oâxít-baùn daãn MT Molecular Transistor Transistor phaân töû MWNT Multi-Wall Nanotube OÁng nanoâ nhieàu töôøng NEGF Non-equilibrium Green’s Function Haøm Green khoâng caân baèng Nano Electronic Modeling – Boä moâ phoûng linh kieän ñieän NEMO-VN Vietnam töû nanoâ cuûa Vieät Nam QD Quantum Dot Chaám löôïng töû QW Quantum Wire Daây löôïng töû RTD Resonant tunneling diode Ñioât ñöôøng haàm coäng höôûng RTT Resonant Tunneling Trasistor Transistor ñöôøng haàm coäng höôûng S Source Cöïc nguoàn SCF Self-consistent field Tröôøng töï töông thích SET Single electron transistor Transistor ñôn ñieän töû SRAM Static random-access memory Boä nhôù truy caäp ngaãu nhieân tónh STM Scanning Tunneling Microscopy Kính hieån vi ñöôøng haàm queùt SWNT Single-Wall Nanotube OÁng nanoâ ñôn töôøng TEM Transmission Electron Microscopy Kính hieån vi ñieän töû truyeàn qua Boä nhôù truy caäp ngaãu nhieân Tunnelling Static Random Access TSRAM tónh duøng hieäu öùng ñöôøng Memory haàm VLSI Very Large Scale Integration Maïch tích hợp mật ñộ rất cao
ix DANH MUÏC CAÙC BAÛNG TT Baûng Trang Baûng 1.1 Caùc ñaïi löôïng thay theá ñeå tính IDS töø moät möùc naêng löôïng môû roäng sang nhieàu möùc naêng löôïng môû roäng 72 Baûng 2.1 Nhieät ñoä chuyeån caùc traïng thaùi raén – loûng – khí cuûa caùc chaát 77 Baûng 2.2 Caùc tham soá phaân töû caàn thieát cho vieäc tính doøng IDS xaùc ñònh ñöôïc qua phaàn meàm moâ phoûng hoùa hoïc CAChe 84 Baûng 2.3 Keát quaû tính toaùn cho thaáy caùc tham soá naêng löôïng cuûa phaân töû khoâng bò aûnh höôûng bôûi caùc nguyeân töû Vaøng trong lieân keát 85 Baûng 3.1 Giaù trò caùc böôùc thay ñoåi ñoä daøi L vaø ñoä roäng W cuûa phaân töû C6H4Cl2 103
x DANH MUÏC CAÙC ÑOÀ THÒ VAØ HÌNH VEÕ TT Ñoà thò, hình veõ Trang Hình 1.1 Phaân loaïi linh kieän ñieän töû nanoâ 8 Hình 1.2 Gieáng löôïng töû cho moät ñioât ñöôøng haàm coäng höôûng 10 (RTD) [2] Hình 1.3 Sô ñoà tieát dieän ngang vaø nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa ñioât 12 ñöôøng haàm coäng höôûng (RTD Hình 1.4 Tieát dieän ngang vaø nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa transistor 13 ñöôøng haàm coäng höôûng (RTT) Hình 1.5 Sô ñoà cuûa RTD-FET lai 14 Hình 1.6 Ñaëc tröng V-A cuûa ba loaïi linh kieän ñieän töû nanoâ baùn daãn: a) ñoà thò bieán thieân gieáng theá löôïng töû do thay ñoåi theá 15 thieân aùp; b) ñaëc tröng cuûa RTD; c) ñaëc tröng cuûa QD; d) ñaëc tröng cuûa SET Hình 1.7 (a) Caáu truùc cuûa hoäp ñôn ñieän töû; (b) Maïch töông töông 18 ñöông cuûa hoäp ñôn ñieän töû Hình 1.8 Ñaëc tröng soá ñieän töû ñoái vôùi theá coång cuûa hoäp ñôn ñieän töû 19 Hình 1.9 (a) Caáu truùc SET; (b) Maïch töông ñöông cuûa SET 20 Hình 1.10 AÙp duïng cuûa ñònh lyù Thevenin: a) maïch töông ñöông ñöôïc bao quanh baèng ñöôøng khoâng lieàn neùt noái vôùi tieáp xuùc 21 ñöôøng haàm cuûa nguoàn; b) maïch töông ñöông ñöôïc bao quanh baèng ñöôøng khoâng lieàn neùt noái tôùi tieáp xuùc ñöôøng
xi haàm cuûa maùng Hình 1.11 Boá trí cuûa nguyeân töû cacbon trong CNT 25 Hình 1.12 Thí duï veà CNT vôùi caùc vectô chu vi khaùc nhau Ch 26 Hình 1.13 Transistor hieäu öùng tröôøng duøng oáng nanoâ cacbon 28 Hình 1.14 Teá baøo SRAM laøm baèng CNTFET nhôø noái cheùo nhau vôùi 28 caùc ñieän trôû ngoaøi Hình 1.15 Khaùi nieäm cho moät coâng ngheä vi maïch döïa hoaøn toaøn treân CNT, taát caû caùc yeáu toá hoaït vaø keát noái ñöôïc cheá taïo baèng 29 oáng nano Hình 1.16 Phaùc thaûo ñònh nghóa heä thoáng phaân töû khoái vaø heä thoáng 31 ñôn phaân töû Hình 1.17 Daây phaân töû coù khaû naêng daãn doøng ñieän 34 Hình 1.18 Caáu truùc vaø cô cheá cuûa RTD phaân töû 35 Hình 1.19 Chuyeån maïch phaân töû quay 36 Hình 1.20 Linh kieän ñioât phaân töû 37 Hình 1.21 Minh hoïa caáu truùc phaân töû hai traïng thaùi beàn 38 Hình 1.22 Linh kieän ba cöïc cô ñieän töû nanoâ 39 Hình 1.23 a) Sô ñoà cuûa linh kieän chænh löu döïa treân maøng LB phaân töû; b) ñöôøng cong I-V cuûa lôùp ñôn LB chæ thò ñaëc tröng 40 chænh löu Hình 1.24 Thieát keá moät TSRAM töø caùc linh kieän vaø daây noái phaân töû 41 Hình 1.25 a) moâ phoûng transistor phaân töû coù keânh daãn tieáp xuùc vôùi 44
xii cöïc ñieàu khieån. b) moät voøng benzene trong keânh daãn. c) xaùc suaát truyeàn ñieän töû theo möùc naêng löôïng. d) hoï ñöôøng ñaëc tröng I-V cuûa transistor Hình 1.26 a) moâ phoûng transistor phaân töû coù keânh daãn caùch ly vôùi cöïc ñieàu khieån. b) maät ñoä traïng thaùi theo naêng löôïng. 45 c) ñaëc tröng I – V khi phaân cöïc aâm vaø nguoàn nuoâi aâm. d)ï ñaëc tröng I – V khi phaân cöïc aâm vaø nguoàn nuoâi döông Hình 1.27 Moät coâng thöùc phaân töû C6H4S2 coù theå toàn taïi 5 coâng thöùc 46 caáu taïo khaùc nhau [35] Hình 1.28 Phaùc thaûo caáu taïo transistor tröôøng coù kích thöôùc ôû thang 47 nanoâmeùt Hình 1.29 Phaân boá möùc naêng löôïng trong keânh phaân töû vaø möùc 48 Fermi ôû ñieän cöïc S vaø D Hình 1.30 Moâ hình keânh phaân töû. a) Keânh daãn ñôn phaân töû. 49 b) Keânh daãn daây phaân töû Hình 1.31 Tính daãn ñieän loaïi n hay loaïi p cuûa keânh phaân töû 50 Hình 1.32 Phaân cöïc cho MOSFET keânh caûm öùng loaïi n trong maïch 51 khueách ñaïi Hình 1.33 Ñoà thò haøm Fermi phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä 53 Hình 1.34 Quaù trình vaän chuyeån ñieän töû qua transistor khi coù möùc naêng löôïng cuûa keânh phaân töû ôû vaøo khoaûng giöõa hai möùc 54 theá ñieän hoùa cuûa D vaø S Hình 1.35 Phaân bieät quaù trình hình thaønh doøng IDS khi ñaûo chieàu theá 55
xiii coång VG Hình 1.36 Töông quan giöõa haøm Fermi cuûa keânh phaân töû vôùi haøm 55 Fermi cuûa hai ñieän cöïc Hình 1.37 Doøng vaøo vaø doøng ra 57 Hình 1.38 Moät möùc naêng löôïng trong keânh ôû vaøo khoaûng giöõa hai 60 möùc theá ñieän hoùa caùc ñieän cöïc D, S ñöôïc môû roäng Hình 1.39 Moät möùc naêng löôïng E = ε ñöôïc môû roäng coù maät ñoä traïng thaùi Dε (E) do söï lieân keát cuûa nguyeân töû trong keânh 62 vaø ñieän cöïc Hình 1.40 a) Möùc naêng löôïng ε cao hôn theá ñieän hoùa vaø VD = VG = 0 neân IDS = 0. b) VG > 0 ñaåy möùc naêng löôïng ε vaøo giöõa 64 hai möùc theá ñieän hoùa, VD > 0 neân IDS > 0 Hình 1.41 Maïch ñieän dung töông ñöông 65 Hình 1.42 Thuaät toaùn tröôøng töï töông thích ñeå tính doøng IDS 66 Hình 1.43 Maät ñoä traïng thaùi spin höôùng leân vaø spin höôùng xuoáng chia thaønh hai phaàn phaân ly bôûi naêng löôïng naïp ñôn ñieän 68 töû U0 Hình 1.44 Vôùi linh kieän coù keânh daãn lôùn coù theå coi nhö goàm nhieàu teá 70 baøo nhoû coù naêng löôïng lieân keát vôùi nhau laø t Hình 1.45 Caùc tham soá ñaëc tröng cuûa transistor phaân töû 71 Hình 1.46 Keânh coù nhieàu nguyeân töû vaø nhieàu möùc naêng löôïng trong 73 vuøng daãn Hình 2.1 Caáu truùc transistor keânh phaân töû voøng benzene lieân keát 1-4 74
xiv vôùi caùc nguyeân toá thuoäc nhoùm Halogen Hình 2.2 Caùc nguyeân toá F, Cl, Br, I thuoäc nhoùm Halogen trong 75 baûng tuaàn hoaøn caùc nguyeân toá hoùa hoïc Hình 2.3 Teân goïi, kyù hieäu hoùa hoïc vaø caáu truùc cuûa caùc phaân töû 77 Hình 2.4 Caáu truùc phaân töû sau khi toái öu hoùa: a) C6H4F2, 78 b) C6H4Cl2, c) C6H4Br2, d) C6H4I2 Hình 2.5 Moãi phaân töû coù 3 caëp ñieän töû gheùp ñoâi töø hai phía 79 Hình 2.6 Hoäp thoaïi ñeå chaïy chöông trình tính caùc möùc naêng löôïng 80 trong phaàn meàm moâ phoûng hoùa hoïc CAChe Hình 2.7 Baûng soá lieäu Molecular Orbitals cung caáp thoâng tin veà caùc möùc naêng löôïng. Baûng soá lieäu Atoms cung caáp thoâng 81 tin veà maät ñoä möùc Hình 2.8 Möùc LUMO treân aûnh phaân töû ôû traïng thaùi töông öùng 81 Hình 2.9 Xaùc ñònh soá möùc naêng löôïng trong daûi 82 Hình 2.10 Xaùc ñònh maët töông taùc löïc van der Waals cuûa phaân töû 82 Hình 2.11 Ño kích thöôùc phaân töû C6H4Cl2 vaø söï löôïng töû hoùa kích 83 thöôùc Hình 2.12 Phaân töû C6H4F2 lieân keát vôùi Vaøng ôû ba höôùng quan saùt 85 khaùc nhau Hình 2.13 Löu ñoà thuaät toaùn tính doøng IDS 91 Hình 3.1 Keát quaû hoï ñaëc tröng doøng - theá cuûa transistor keânh phaân 93 töû C6H4F2 vôùi saùu giaù trò theá coång khaùc nhau ôû ñònh daïng
xv *.m file Hình 3.2 Giao dieän chính cuûa chöông trình moâ phoûng transistor 94 phaân töû Hình 3.3 Keát quaû khaûo saùt hoï ñaëc tröng doøng - theá cuûa transistor keânh phaân töû C6H4F2 ôû 313 K, L = 0.7161 nm, W = 0.746 95 nm, vôùi saùu giaù trò theá coång töø 0 V, 0.1 V, 0.2 V, 0.3 V, 0.4 V vaø 0.5 V Hình 3.4 Hoï ñaëc tröng doøng - theá cuûa transistor keânh phaân töû 96 o C6H4F2 ôû 27 C Hình 3.5 Hieäu öùng nhieät ôû hai transistor keânh phaân töû C6H4F2 vaø 98 C6H4Br2 Hình 3.6 Ñaëc tröng doøng - theá cuûa transistor keânh phaân töû C6H4F2 coù theá coång 0.3 V khi nhieät ñoä thay ñoåi töø 193K (- 80 oC) 99 ñeán 393K (120 oC) Hình 3.7 Duøng CAChe ñeå ño kích thöôùc phaân töû C6H4F2 101 Hình 3.8 Khai baùo 3 muïc trong Property Inspector cuûa Slider “Ñoä 102 roäng W” Hình 3.9 Khaûo saùt aûnh höôûng cuûa söï löôïng töû hoùa kích thöôùc daøi phaân töû C6H4Cl2 leân ñaùp tröng doøng - theá cuûa transistor ôû 103 nhieät ñoä 313K, theá coång 0.3 V, kích thöôùc roäng 0.6918 nm Hình 3.10 Khaûo saùt aûnh höôûng cuûa söï löôïng töû hoùa kích thöôùc roäng phaân töû C6H4Cl2 leân ñaùp tröng doøng - theá cuûa transistor ôû 104 nhieät ñoä 313K, theá coång 0.3V, kích thöôùc daøi 0.8405 nm
xvi Hình 3.11 Moâ taû taám löôùi traïng thaùi cuøng möùc naêng löôïng theo 105 chieàu roäng cuûa phaân töû Hình 3.12 AÛnh höôûng kích thöôùc daøi cuûa phaân töû C6H4Br2 leân ñaëc 116 tröng doøng - theá Hình 3.13 AÛnh höôûng kích thöôùc roäng cuûa phaân töû C6H4Br2 leân ñaëc 116 tröng doøng - theá Hình 3.14 Hoï ñaëc tröng doøng - theá cuûa transistor keânh phaân töû 117 C6H4Br2 Hình 3.15 AÛnh höôûng cuûa nhieät ñoä leân ñaëc tröng doøng - theá cuûa 117 transistor keânh phaân töû C6H4Br2 Hình 3.16 So saùnh doøng IDS cuûa caùc transistor duøng keânh phaân töû 108 khaùc nhau Hình 3.17 Ñeà xuaát thöïc nghieäm ñeå kieåm chöùng keát quaû moâ phoûng 109 transistor keânh phaân töû C6H4F2
1 MÔÛ ÑAÀU Những xu höôùng nghieân cöùu phaùt trieån noåi baät cuûa ngaønh coâng nghieäp baùn daãn treân theá giôùi hieän nay laø tieáp tuïc thu nhoû kích thöôùc, giaûm coâng suaát tieâu thuï ñieän, giaûm ñieän aùp nguoàn nuoâi, giaûm giaù thaønh, taêng maät ñoä, taêng khaû naêng ñaùp öùng taàn soá, môû roäng daûi nhieät ñoä laøm vieäc cuûa linh kieän. Nhöõng tieâu chí neâu treân ñaõ xuyeân suoát caû quaù trình töø luùc hình thaønh ngaønh coâng nghieäp baùn daãn vaø laø ñoäng löïc thuùc ñaåy phaùt trieån khoa hoïc coâng ngheä veà linh kieän ñieän töû töø xöa tôùi nay. Naêm 2007, Intel ñaõ coâng boá ñöa coâng ngheä 45 nm vaøo saûn xuaát chip. Vieäc thu nhoû kích thöôùc cuûa linh kieän ñieän töû hoaït ñoäng theo nguyeân lyù truyeàn thoáng nhö cuûa CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) seõ tieäm caän tôùi giôùi haïn nhaát ñònh maø nhieàu ngöôøi döï ñoaùn laø khoaûng 10 nm. Khi kích thöôùc linh kieän xuoáng haøng nanoâmeùt, nhöõng hieäu öùng môùi xuaát hieän (hieäu öùng löôïng töû) vaø trôû thaønh nhöõng vaán ñeà chính yeáu trong quaù trình vaän chuyeån cuûa ñieän tích. Ñaây laø moät lónh vöïc nghieân cöùu môùi meû vaø haáp daãn: ñieän töû nanoâ. Coâng ngheä nanoâ noùi chung vaø ñieän töû nanoâ noùi rieâng ñang loâi cuoán nhieàu tröôøng ñaïi hoïc, vieän nghieân cöùu treân theá giôùi tham gia. Coâng ngheä nanoâ laø chöông trình troïng ñieåm cuûa nhieàu Chính phuû ôû caùc nöôùc phaùt trieån. Phoøng thí nghieäm Coâng ngheä Nanoâ thuoäc Ñaïi hoïc Quoác gia Thaønh phoá Hoà Chí Minh ñaõ ñöôïc xaây döïng vaø ñi vaøo hoaït ñoäng laø moät minh chöùng veà söï quan taâm cuûa Chính phuû cuøng caùc nhaø khoa hoïc Vieät Nam trong lónh vöïc naøy. Nhieàu coâng trình nghieân cöùu veà lónh vöïc nanoâ ñaõ vaø ñang ñöôïc thöïc hieän coù keát quaû. Taïi Khoa Ñieän töû Vieãn thoâng, Tröôøng Ñaïi hoïc Khoa hoïc Töï nhieân thuoäc Ñaïi hoïc Quoác gia Thaønh phoá Hoà Chí Minh ñaõ thöïc hieän ñeà taøi nghieân cöùu caáp Boä “Xaây döïng phaàn meàm moâ phoûng NEMO-VN cho linh kieän ñieän töû nanoâ” (NEMO-VN: Nano Electronic Modeling – Vietnam). Döôùi söï chæ ñaïo cuûa PGS.TS. Ñinh Syõ
2 Hieàn vaø caùc coäng söï – trong ñoù coù söï tham gia tích cöïc cuûa Nghieân cöùu sinh Traàn Tieán Phöùc – ñaõ xaây döïng chöông trình moâ phoûng ñioât ñöôøng haàm coäng höôûng (resonant tunneling diode, RTD) vaø caùc linh kieän thaáp chieàu nhö chaám löôïng töû (Quantum Dot, QD), daây löôïng töû (Quantum Wire, QW), vaø gieáng löôïng töû (Quantum Well, Qwell) [3]. Moät chöông trình moâ phoûng caùc linh kieän ñieän töû nanoâ 3D döïa treân giao dieän ñoà hoïa cuûa ngöôøi söû duïng GUI (graphic user interface) trong phaàn meàm MATLAB (matrix laboratory) ñaõ ñöôïc hoaøn thaønh. Nhôø söû duïng GUI cuûa MATLAB, NEMO-VN cho pheùp nhaäp caùc thoâng soá, ñieàu khieån tính toaùn, hieån thò keát quaû vaø phaân tích döõ lieäu moät caùch nhanh choùng, tröïc quan vaø thaân thieän. Ñeà taøi ñaõ ñöôïc hoäi ñoàng nghieäm thu ñaùnh giaù toát vaø coù nhieàu yù nghóa raát thieát thöïc trong coâng taùc giaûng daïy hoïc phaàn “Ñieän töû nanoâ”â cho caùc baäc Ñaïi hoïc, Cao hoïc taïi Ñaïi hoïc Quoác gia Thaønh phoá Hoà Chí Minh. Tieáp tuïc phaùt trieån vaø môû roäng NEMO-VN, luaän vaên naøy seõ moâ phoûng moät linh kieän coù caáu truùc cuï theå – Transistor phaân töû (Molecular Transistor, MT) . Ñaây laø höôùng nghieân cöùu tieáp caän töø döôùi leân (bottom up) cuûa ñieän töû nanoâ vaø coù tính khaû thi veà maët coâng ngheä trong töông lai gaàn. Muïc ñích cuûa ñeà taøi naøy nhaèm thieát keá vaø moâ phoûng hoaït ñoäng cuûa transistor söû duïng phaân töû laø voøng benzene lieân keát ñoái xöùng vôùi hai nguyeân töû thuoäc nhoùm Halogen (Flourine - F, Chlorine - Cl, Bromine - Br, Iodine – I) laøm keânh daãn tieáp xuùc vôùi hai ñieän cöïc baèng Vaøng (Au) laøm cöïc nguoàn (Source - S) vaø cöïc maùng (Drain - D). Cöïc coång (Gate - G) ñöôïc caùch ly vôùi keânh phaân töû bôûi moät vaøi lôùp phaân töû SiO2 . Giao dieän GUI trong MATLAB ñöôïc söû duïng ñeå theå hieän keát quaû moâ phoûng vaø xem xeùt aûnh höôûng caùc tham soá kích thöôùc, nhieät ñoä, theá ñieàu khieån ôû cöïc coång leân hoï ñaëc tröng.