Mô phỏng transistor phân tử vòng benzene liên kết 1 4 với các nguyên tố thuộc nhóm halogen

DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ Hình 1.1 Phân loại linh kiện điện tử nanô 8 Hình 1.2 Giếng lượng tử cho một điôt đường hầm cộng hưởng Hình 1.3 Sơ đồ tiết diện ngang và nguyên lý hoạt động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS TS Đinh Sỹ Hiền

TP HỒ CHÍ MINH - 2008

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của chính bản thân Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác trước đây

Tác giả luận án

Trần Tiến Phức

Lời cảm ơn!

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS Đinh Sỹ Hiền – người đã chỉ hướng, dìu dắt và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để thực hiện luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Hữu Phương, GS.TS Lê Khắc Bình, GS.TS Nguyễn Đại Hưng, PGS.TS Trần Hoàng Hải, GS.TS Đặng Lương Mô và TS Lê Hữu Phúc; các Thầy Giáo, Cô Giáo trong Khoa Điện tử - Viễn thông; các cán bộ Phòng Đào tạo Sau Đại học của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên; Phòng thí nghiệm Công nghệ nanô thuộc Đại học Quốc gia Tp HCM đã giúp đỡ tôi suốt quá trình học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn ThS Phạm Thành Trung, ThS Bùi An Đông và CN Đinh Việt Nga là các thành viên trong nhóm nghiên cứu của đề tài “Xây dựng phần mềm mô phỏng NEMO-VN cho linh kiện điện tử nanô”

Tôi xin chân thành cảm ơn những ý kiến quý báu về transistor phân tử của

GS TS Phan Hồng Khôi, Viện Khoa học Vật liệu, Viện KH&CNVN

Tôi xin chân thành cảm ơn Ph.D Gerhard Klimeck - Technical Director for the Network for Computational Nanotechnology - đã có thư động viên khích lệ và cung cấp password để tôi có điều kiện tiếp cận và cập nhật thông tin về linh kiện điện tử nanô trên trang WEB: https://www.nanohub.org Tôi xin chân thành cảm ơn Ph.D Supriyo Datta về những bài giảng trong lĩnh vực “Quantum Transport: Atom to Transistor” cùng những nhận xét, góp ý của Giáo sư về transistor phân tử vòng benzene trong luận án này

Tôi đặc biệt cảm ơn Gia đình và Bạn hữu đã động viên, giúp đỡ những lúc gặp khó khăn trong suốt thời gian theo học và thực hiện luận án

NCS Trần Tiến Phức

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANÔ 5

1.1 GIỚITHIỆUCHUNG 5

1.2 LINHKIỆNĐIỆNTỬNANÔ 6

1.2.1. Những hạn chế của công nghệ vi điện tử 6

1.2.2. Khái quát và phân loại linh kiện điện nanô 7

1.2.3. Linh kiện điện tử nanô bán dẫn hiệu ứng lượng tử 8

1.2.3.1 Đảo, giếng thế và các hiệu ứng lượng tử 9

1.2.3.2 Linh kiện đường hầm cộng hưởng 11

1.2.3.3 Hiệu ứng năng lượng trong các linh kiện lượng tử 16

1.2.3.4 Những vấn đề nổi bật đối với linh kiện điện tử nanô bán dẫn 23

1.2.3.5 Ống nanô Cacbon 25

1.2.4. Điện tử phân tử 30

1.2.4.1 Phân loại linh kiện điện tử phân tử dựa vào cấu trúc vật liệu 31

1.2.4.2 Phân loại linh kiện điện tử phân tử dựa vào hiệu ứng chuyển mạch 33

1.2.4.3 Dây phân tử 34

1.2.4.4 Linh kiện điện tử phân tử hiệu ứng lượng tử 35

1.2.4.5 Linh kiện chuyển mạch và khuếch đại cơ điện tử phân tử 35

1.2.4.6 Rơle phân tử 36

1.2.4.7 Điôt phân tử 37

1.2.4.8 Chuyển mạch và yếu tố nhớ 38

1.2.4.9 Linh kiện ba chân 39

1.2.4.10 Linh kiện màng đơn phân tử 40

1.2.4.11 Vấn đề điện cực và tiếp xúc trong điện tử phân tử 42

1.2.5. Transistor phân tử 43

1.2.5.1 Một số nghiên cứu điển hình về transistor phân tử 43

1.2.5.2 Cấu tạo transistor phân tử 47

1.2.5.3 Nguyên lý làm việc của transistor phân tử 50

1.2.5.4 Hàm Fermi 53

1.2.6. Dòng điện IDS qua kênh dẫn của transistor phân tử 54

1.2.6.1 Mô tả định tính quá trình vận chuyển điện tích qua kênh phân tử 54

1.2.6.2 Phân tích dòng IDS trên cơ sở hàm Fermi 55

1.2.6.3 Dòng vào và dòng ra giữa kênh phân tử với hai điện cực D và S 56

1.2.6.4 Biểu thức dòng điện IDS qua kênh dẫn chứa một mức năng lượng ε

tính cho một trạng thái spin 58

1.2.6.5 Tính lượng tử của độ dẫn 60

1.2.6.6 Điện thế trong kênh dẫn 63

1.2.6.7 Thuật toán vòng lặp 66

1.2.6.8 Tương tác Coulomb 67

1.2.6.9 Điều kiện để lựa chọn phương pháp giải phương trình IDS 69

1.2.6.10 Transistor kênh phân tử có kích thước nanô 71

CHƯƠNG 2: TRANSISTOR PHÂN TỬ VÒNG BENZENE 74

2.1 XÂYDỰNGMẪUTRANSISTORPHÂNTỬ 74

2.2 CÁCTHAMSỐCỦAVẬTLIỆULÀMKÊNHDẪN 76

2.2.1. Tham số tổng quát 76

2.2.2. Phần mềm mô phỏng hóa học CAChe 77

2.2.3. Các tham số của phân tử làm kênh dẫn xác định trong CAChe 78

2.2.4. Liên kết của phân tử với nguyên tử Vàng ở điện cực D và S 84

2.3 SỬDỤNGGUITRONGMATLABĐỂMÔPHỎNG

TRANSISTORPHÂNTỬ 86

2.3.1. Tạo Slider để nhập số liệu 86

2.3.2. Thuật toán của chương trình tính dòng IDS 87

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRANSISTOR PHÂN TỬ 92

3.1 HỌĐẶCTRƯNGDÒNG-THẾCỦATRANSISTORPHÂNTỬ 92

3.1.1. Họ đặc trưng dòng - thế ở định dạng *.m file 93

3.1.2. Họ đặc trưng dòng - thế ở định dạng *.fig file 94

3.1.3. Nhận xét về họ đặc trưng dòng – thế của transistor phân tử C6H4F2 96

3.2 ẢNHHƯỞNGCỦANHIỆTĐỘLÊNHỌĐẶCTRƯNGDÒNG-THẾ 97

3.3 ẢNHHƯỞNGCỦASỰLƯỢNGTỬHÓAKÍCHTHƯỚCPHÂNTỬ

LÊNHỌĐẶCTRƯNGDÒNG–THẾ 100

3.3.1. Sự lượng tử hóa kích thước của phân tử 100

3.3.2. Ảnh hưởng của sự lượng tử hóa kích thước dài phân tử lên đặc

trưng dòng - thế 102

3.3.3. Ảnh hưởng của sự lượng tử hóa kích thước rộng phân tử lên đặc

trưng dòng - thế 104

3.3.4 Kết quả mô phỏng transistor kênh phân tử C6H4Br2 106

3.4 ĐỀXUẤTVỀMẶTTHỰCNGHIỆM 109

KẾT LUẬN 111

DANHMỤCBÀIBÁO,CÔNGTRÌNHĐÃCÔNGBỐ 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO 116

PHỤ LỤC 120

PHỤLỤCA:CODEMATLABCỦACHƯƠNGTRÌNH

TRONGLUẬNÁN 120

PHỤLỤCB:THIẾTKẾVÀXÁCĐỊNHCÁCTHAMSỐPHÂNTỬ

TRONGPHẦNMỀMMÔ PHỎNGCACHE 145

PHỤLỤCC:KẾTQUẢMÔPHỎNGTRANSISTORKÊNHPHÂNTỬ 157

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Các hằng số cơ bản

q điện tích của điện tử 1,602 × 10-19 C

h hằng số Planck 6,626 × 10-34 J s

ћ h / 2π 1,055 × 10-34 J s

m khối lượng của điện tử tự do 9,11 × 10-31 kg

εo hằng số điện môi của chân không 8,854 × 10-12 F/m

G0 = q2 / h lượng tử độ dẫn 38,7 × 10-6 S

= 1 / (25,8 × 103

Ω)

S = 1 / Ω = A / V Công thức hóa học

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

CB Coulomb blockade Cấm Coulomb

CMOS Complementary Metal Oxide

Semiconductor Bán dẫn oxit kim loại bổ sung CNT Carbon NanoTube Ống nanô cacbon

CNTFET Carbon NanoTube Field Effect

HRTEM High Resolution TEM Kính hiển vi điện tử truyền

qua khả năng phân giải cao

LB Langmuir – Blodget Màng Langmuir – Blodget

LUMO Lowest Unoccupied Molecular

Orbital

Mức năng lượng thấp nhất trong vùng dẫn (vùng trống) MATLAB Matrix laboratory Phần mềm tính toán dưới

dạng ma trận MME Mono Molecular Electronics Điện tử đơn phân tử

MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field

NEMO-VN Nano Electronic Modeling –

Vietnam

Bộ mô phỏng linh kiện điện tử nanô của Việt Nam

QD Quantum Dot Chấm lượng tử

QW Quantum Wire Dây lượng tử

RTD Resonant tunneling diode Điôt đường hầm cộng hưởng RTT Resonant Tunneling Trasistor Transistor đường hầm cộng

hưởng

SCF Self-consistent field Trường tự tương thích SET Single electron transistor Transistor đơn điện tử SRAM Static random-access memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

tĩnh STM Scanning Tunneling Microscopy Kính hiển vi đường hầm quét SWNT Single-Wall Nanotube Ống nanô đơn tường TEM Transmission Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử truyền

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các đại lượng thay thế để tính IDS từ một mức năng lượng

mở rộng sang nhiều mức năng lượng mở rộng 72 Bảng 2.1 Nhiệt độ chuyển các trạng thái rắn – lỏng – khí của các

Bảng 2.2 Các tham số phân tử cần thiết cho việc tính dòng IDS xác

định được qua phần mềm mô phỏng hóa học CAChe 84 Bảng 2.3 Kết quả tính toán cho thấy các tham số năng lượng của phân

tử không bị ảnh hưởng bởi các nguyên tử Vàng trong liên kết 85 Bảng 3.1 Giá trị các bước thay đổi độ dài L và độ rộng W của phân tử

DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ

Hình 1.1 Phân loại linh kiện điện tử nanô 8 Hình 1.2 Giếng lượng tử cho một điôt đường hầm cộng hưởng

Hình 1.3 Sơ đồ tiết diện ngang và nguyên lý hoạt động của điôt

đường hầm cộng hưởng (RTD 12 Hình 1.4 Tiết diện ngang và nguyên lý hoạt động của transistor

đường hầm cộng hưởng (RTT) 13 Hình 1.5 Sơ đồ của RTD-FET lai 14 Hình 1.6 Đặc trưng V-A của ba loại linh kiện điện tử nanô bán

dẫn: a) đồ thị biến thiên giếng thế lượng tử do thay đổi thế thiên áp; b) đặc trưng của RTD; c) đặc trưng của QD;

d) đặc trưng của SET

15

Hình 1.7 (a) Cấu trúc của hộp đơn điện tử; (b) Mạch tương tương

đương của hộp đơn điện tử 18 Hình 1.8 Đặc trưng số điện tử đối với thế cổng của hộp đơn điện tử 19 Hình 1.9 (a) Cấu trúc SET; (b) Mạch tương đương của SET 20 Hình 1.10 Áp dụng của định lý Thevenin: a) mạch tương đương được

bao quanh bằng đường không liền nét nối với tiếp xúc đường hầm của nguồn; b) mạch tương đương được bao quanh bằng đường không liền nét nối tới tiếp xúc đường

21

hầm của máng

Hình 1.11 Bố trí của nguyên tử cacbon trong CNT 25 Hình 1.12 Thí dụ về CNT với các vectơ chu vi khác nhau Ch 26 Hình 1.13 Transistor hiệu ứng trường dùng ống nanô cacbon 28 Hình 1.14 Tế bào SRAM làm bằng CNTFET nhờ nối chéo nhau với

Hình 1.15 Khái niệm cho một công nghệ vi mạch dựa hoàn toàn trên

CNT, tất cả các yếu tố hoạt và kết nối được chế tạo bằng ống nano

tử; b) đường cong I-V của lớp đơn LB chỉ thị đặc trưng chỉnh lưu

40

Hình 1.24 Thiết kế một TSRAM từ các linh kiện và dây nối phân tử 41 Hình 1.25 a) mô phỏng transistor phân tử có kênh dẫn tiếp xúc với 44

cực điều khiển b) một vòng benzene trong kênh dẫn c) xác suất truyền điện tử theo mức năng lượng d) họ đường đặc trưng I-V của transistor

Hình 1.26 a) mô phỏng transistor phân tử có kênh dẫn cách ly với

cực điều khiển b) mật độ trạng thái theo năng lượng

c) đặc trưng I – V khi phân cực âm và nguồn nuôi âm d)ï đặc trưng I – V khi phân cực âm và nguồn nuôi dương

45

Hình 1.27 Một công thức phân tử C6H4S2 có thể tồn tại 5 công thức

Hình 1.28 Phác thảo cấu tạo transistor trường có kích thước ở thang

Hình 1.29 Phân bố mức năng lượng trong kênh phân tử và mức

Fermi ở điện cực S và D 48 Hình 1.30 Mô hình kênh phân tử a) Kênh dẫn đơn phân tử

b) Kênh dẫn dây phân tử

49

Hình 1.31 Tính dẫn điện loại n hay loại p của kênh phân tử 50

Hình 1.32 Phân cực cho MOSFET kênh cảm ứng loại n trong mạch

cổng VG

Hình 1.36 Tương quan giữa hàm Fermi của kênh phân tử với hàm

Hình 1.37 Dòng vào và dòng ra 57 Hình 1.38 Một mức năng lượng trong kênh ở vào khoảng giữa hai

mức thế điện hóa các điện cực D, S được mở rộng 60 Hình 1.39 Một mức năng lượng E = ε được mở rộng có mật độ

trạng thái Dε (E) do sự liên kết của nguyên tử trong kênh và điện cực

62

Hình 1.40 a) Mức năng lượng ε cao hơn thế điện hóa và VD = VG =

0 nên IDS = 0 b) VG > 0 đẩy mức năng lượng ε vào giữa hai mức thế điện hóa, VD > 0 nên IDS > 0

64

Hình 1.41 Mạch điện dung tương đương 65 Hình 1.42 Thuật toán trường tự tương thích để tính dòng IDS 66 Hình 1.43 Mật độ trạng thái spin hướng lên và spin hướng xuống

chia thành hai phần phân ly bởi năng lượng nạp đơn điện tử U0

68

Hình 1.44 Với linh kiện có kênh dẫn lớn có thể coi như gồm nhiều tế

bào nhỏ có năng lượng liên kết với nhau là t 70 Hình 1.45 Các tham số đặc trưng của transistor phân tử 71

Hình 1.46 Kênh có nhiều nguyên tử và nhiều mức năng lượng trong

Hình 2.1 Cấu trúc transistor kênh phân tử vòng benzene liên kết 1-4 74

với các nguyên tố thuộc nhóm Halogen

Hình 2.2 Các nguyên tố F, Cl, Br, I thuộc nhóm Halogen trong

bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học 75 Hình 2.3 Tên gọi, ký hiệu hóa học và cấu trúc của các phân tử 77 Hình 2.4 Cấu trúc phân tử sau khi tối ưu hóa: a) C6H4F2,

*.m file

Hình 3.2 Giao diện chính của chương trình mô phỏng transistor

Hình 3.3 Kết quả khảo sát họ đặc trưng dòng - thế của transistor

kênh phân tử C6H4F2 ở 313 K, L = 0.7161 nm, W = 0.746

nm, với sáu giá trị thế cổng từ 0 V, 0.1 V, 0.2 V, 0.3 V, 0.4

Hình 3.6 Đặc trưng dòng - thế của transistor kênh phân tử C6H4F2

có thế cổng 0.3 V khi nhiệt độ thay đổi từ 193K (- 80 oC) đến 393K (120 oC)

99

Hình 3.7 Dùng CAChe để đo kích thước phân tử C6H4F2 101 Hình 3.8 Khai báo 3 mục trong Property Inspector của Slider “Độ

Hình 3.9 Khảo sát ảnh hưởng của sự lượng tử hóa kích thước dài

phân tử C6H4Cl2 lên đáp trưng dòng - thế của transistor ở nhiệt độ 313K, thế cổng 0.3 V, kích thước rộng 0.6918 nm

103

Hình 3.10 Khảo sát ảnh hưởng của sự lượng tử hóa kích thước rộng

phân tử C6H4Cl2 lên đáp trưng dòng - thế của transistor ở nhiệt độ 313K, thế cổng 0.3V, kích thước dài 0.8405 nm

104

Hình 3.11 Mô tả tấm lưới trạng thái cùng mức năng lượng theo

chiều rộng của phân tử 105 Hình 3.12 Ảnh hưởng kích thước dài của phân tử C6H4Br2 lên đặc

Hình 3.15 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên đặc trưng dòng - thế của

transistor kênh phân tử C6H4Br2 117 Hình 3.16 So sánh dòng IDS của các transistor dùng kênh phân tử

Hình 3.17 Đề xuất thực nghiệm để kiểm chứng kết quả mô phỏng

transistor kênh phân tử C6H4F2 109

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”â 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 của Đại học Quốc 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

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 (

(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 hơn còn kích thước 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.û 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 Hình 1.1 là bức tranh tổng quát về linh kiện điện tử nanô hiện nay

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

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

Linh kiện điện tử nanô Giảm kích thước linh kiện bán dẫn khối Linh kiện điện tử nanô hiệu ứng lượng tử

Linh kiện điện tử phân tử Linh kiện điện tử nguyên tử Linh kiện lai micro-nanôâ

Transistor đơn điện tử (SET) Chấm lượng tử (QD) Linh kiện đường hầm cộng hưởng

Điôt đường hầm cộng hưởng (RTD) Transistor đường hầm cộng hưởng (RTT)

Hình 1.1: Phân loại linh kiện điện tử nanô Linh kiện điện tử nanô bán dẫn

• 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

thế cách nhau càng rộng Trong Hình 1.2, ∆ε 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

Hình 1.2: Giếng lượng tử cho một điôt đường hầm cộng hưởng (RTD) [2]

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

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 ∆ε Đối với điôt đường hầm cộng hưởng (RTD), U thường nhỏ hơn so với ∆ε 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”.ø 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

Hình 1.3: Sơ đồ tiết diện ngang và nguyên lý hoạt động của điôt đường hầm

cộng hưởng (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 (Hình 1.4) 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

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

Hình 1.4: Tiết diện ngang và nguyên lý hoạt động của transistor

đường hầm cộng hưởng (RTT)

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

Hình 1.5 là một ví dụ về RTT lai có tính chất nhiều trạng thái – dòng máng có thể đóng và mở với các giá trị thế thiên áp khác nhau

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 tại Texas 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 1.5 Sơ đồ của RTD-FET lai

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

Hình 1.6: Đặc trưng V-A của ba loại linh kiện điện tử nanô bán dẫn: a) đồ thị biến thiên giếng thế lượng tử do thay đổi thế thiên áp; b) đặc trưng của RTD;

c) đặc trưngcủa QD; d) đặc trưng của SET

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 ∆εx, ∆εy và

∆εz tương ứng Để tính giá trị ∆ε 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 (Hình 1.2)

Khi trong đảo có N + 1 điện tử linh động thì tổng năng lượng là U+∆ε 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 ∆ε, đó là trạng thái lượng tử một điện tử không tương tác cao hơn tiếp theo

Giá trị tương đối của U và ∆ε phụ thuộc mạnh vào dạng và kích thước của đảo Đảo càng hẹp thì ∆ε càng lớn, hiệu ứng lượng tử hoá mạnh hơn Ngược lại, đảo càng rộng thì ∆ε càng nhỏ, các mức năng lượng được phép sẽ gần nhau hơn Giá trị ∆ε 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 ∆ε 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 ∆ε lớn trong khi đó chiều dài giữ cho U nhỏ, nghĩa là ∆ε >> U Khoảng cách giữa các mức năng lượng cho phép của những điện tử trên đảo được xác định chỉ bằng ∆ε Giá trị U là thành phần bỏ qua trong tính toán năng lượng tổng cộng U + ∆ε 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 (∆εx, ∆εy, ∆εz) 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 (Hình 1.7) Các điện tử được bơm vào hoặc hút ra khỏi chấm lượng tử qua tiếp xúc đường hầm

Khi kích thước của chấm lượng tử giảm, năng lượng nạp Wc của điện tích dư trên chấm tăng Nếu kích thước chấm lượng tử đủ nhỏ và năng lượng nạp Wc lớn hơn nhiều so với năng lượng nhiệt kBT, không có sự trao đổi điện tử xuyên hầm tới chấm lượng tử Do đó, số điện tử trong chấm lấy một giá trị cố định, ta nói là zêrô, khi đó cả hai điện cực được nối đất Hiệu ứng điện tích khoá việc bơm vào hoặc hút một điện tích đơn ra khỏi chấm lượng tử được gọi là hiệu ứng khoá Coulomb Do đó, điều kiện để quan sát các hiệu ứng khóa Coulomb được biểu diễn bằng biểu thức (1.1)

T k C

e

W c = >> B2

Hình 1.7: (a) Cấu trúc của hộp đơn điện tử; (b) Mạch

tương tương đương của hộp đơn điện tử

số điện tử có thể là hai Do đó, trong một hộp điện tử đơn, số điện tử của chấm lượng tử được điều khiển dần dần bằng sử dụng điện cực cổng (Hình 1.8)

Để quan sát hiện tượng đường hầm đơn điện tử hay hiệu ứng cấm Coulomb, cần có hai điều kiện Điều kiện thứ nhất là năng lượng điện tích của một điện tử

dư trên một chấm lượng tử lớn hơn năng lượng nhiệt Điều kiện thứ hai là điện trở đường hầm Rt của tiếp xúc đường hầm phải lớn hơn lượng tử trở kháng h/e2 Cần điều kiện hai là để triệt thăng giáng lượng tử trong số n điện tử trong chấm sao cho chúng đủ nhỏ đối với điện tích đặt vào Theo nguyên lý bất định ∆W.∆t

> h, khi lấy ∆W là năng lượng điện tích của chấm lượng tử, ∼e2/C và ∆t là thời gian sống mạch nạp RtC Khi đó, nguyên lý bất định đổi thành

h R e C R C

e t

2

được trình bày trên Hình 1.9 Cấu trúc của SET giống cấu trúc của MOSFET Điểm khác biệt là SET có tính chất tiếp xúc đuờng hầm tại vị trí các tiếp xúc pn của MOSFET và có tính chất chấm lượng tử tại vùng kênh của MOSFET

Hoạt động của transistor đơn điện tử có thể được mô tả bằng sử dụng định lý Thevenin và áp dụng các kết quả tính toán cho hộp đơn điện tử Mạch nối với tiếp xúc đường hầm của nguồn được biến đổi thành mạch tương đương như trong Hình 1.10a Từ mạch tương đương này người ta đã xác định được điều kiện để đảm bảo số điện tử n trong chấm lượng tử và biểu thị bằng biểu thức (1.4)

d g d

g

d d g g

d

e n

C C

V C V C C C

e n

1

(1.4) Biến đổi thành (1.5)

V C

e ne C V V C

e ne

12

1

(1.5)

Bằng cách tương tự, mạch được RTD nối tới tiếp xúc đường hầm của máng

nên có thể chuyển thành mạch điện tương đương như Hình 1.10b và điều kiện để đảm bảo số điện tử n trong chấm lượng tử được biểu thị bằng biểu thức (1.6)

Hình 1.9: (a) Cấu trúc SET;

(b) Mạch tương đương của SET

s

V C

e ne C

C V V C

e ne C

1 2

1

(1.6)

Khi thế nguồn - máng dương hữu hạn Vds và thế cổng là e/2Cg thì quá trình dịch chuyển điện tử xẩy ra Tương tự, tại thế cổng ne/2Cg + e/2Cg, dòng nguồn máng Ids xác định được đối với các transistor đơn điện tử Đặc trưng dao động Ids– Vg được gọi là dao động Coulomb

Khi kích thước chấm lượng tử có thể so sánh với bước sóng de Broblie của điện tử trong chấm thì sự lượng tử hoá năng lượng có thể so sánh với năng lượng nạp Trong trường hợp này, sự khác nhau về năng lượng do bổ sung điện tử đơn vào chấm lượng tử không được cho bằng năng lượng nạp Wc mà bằng năng lượng bổ sung của điện tử Wa tính bởi công thức (1.7)

W W

Ở đây ∆W là sự khác nhau của mức năng lượng lượng tử do bổ sung đơn điện tử vào chấm Do đó, chu kỳ của các dao động Coulomb được biến đổi thành biểu thức (1.8) [10]

e

W C

e V

g g

∆+

=

Hình 1.10: Áp dụng của định lý Thevenin: a) mạch tương đương

được bao quanh bằng đường không liền nét nối với tiếp xúc đường

hầm của nguồn; b) mạch tương đương được bao quanh bằng

đường không liền nét nối tới tiếp xúc đường hầm của máng

Do trong các chấm lượng tử giữ một số điện tử nên năng lượng bổ sung của điện tử Wa có thể không được thông số hoá với Wc nữa và dao động Coulomb bị thay đổi bằng tương tác điện tử – điện tử cùng các hiệu ứng giam giữ lượng tử Trong trường hợp này, các chấm lượng tử được xem như là các nguyên tử nhân tạo

Bằng cách sử dụng biểu thức (1.8) phổ năng lượng của một chấm lượng tử hay nguyên tử nhân tạo, có thể được nghiên cứu Tarucha và cộng sự đã chế tạo các transistor đơn điện tử thẳng đứng có chấm hình đĩa tròn với các rào kép có cấu trúc khác nhau và cổng mặt bao quanh Trong SET thẳng đứng, chấm lượng tử được đặt tại tâm của cột trụ Đường kính của chấm lượng tử là vài trăm nanômét và độ dày của nó cỡ 10 nm Chấm có hình xăng-đuých với hai lớp rào không dẫn điện có cấu trúc khác nhau, tách rời nó từ vật liệu dẫn trên và dưới Một thế âm được áp vào cổng quanh cột hình trụ ôm lấy đường kính hiệu dụng của chấm lượng tử Do đó, số điện tử bị giảm dần cho tới khi chấm lượng tử hoàn toàn rỗng Nếu sự giam giữ trên có dạng của thế điều hoà, năng lượng riêng Wn,lđược biểu thị với số lượng tử xuyên tâm nr (= 0, 1, 2, …) và số lượng tử xung lượng góc l (= 0, ±1, ±2, …):

Ưu điểm: SET tiêu tốn công suất thấp và kích thước nhỏ

Nhược điểm: Nhiệt độ là yếu tố rất quan trọng của SET để có thể ứng dụng vào thực tế Các mẫu thực nghiệm về SET đang bị giới hạn ở nhiệt độ thấp Để mạch SET hoạt động tại nhiệt độ phòng, kích thước của chấm lượng tử phải nhỏ