nghiên cứu cấu trúc và quá trình vận chuyển của một số linh kiện điện tử nano

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC
VÀ QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN
CỦA MỘT SỐ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANO
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T38 - 2008

S KC 0 0 2 1 5 4

Tp. Hồ Chí Minh, 2008


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Tp. HCM
*****

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN
CỦA MỘT SỐ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANO
MÃ SỐ: T38 - 2008

Chủ nhiệm đề tài: Ths. Nguyễn Thò Lưỡng

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 12/ 2008


A
PHAÀN GIÔÙI THIEÄU


I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trong những năm gần đây thế giới đã có những chuyển biến quan trọng, đời
sống người dân ngày được nâng cao, bên cạnh đó là các ngành khoa học kỹ thuật ngày
càng phát triển với những thành tựu vượt bậc. Nhờ những ứng dụng cơng nghệ tiên tiến
mà ngày nay con người có điều kiện tiếp xúc với các trang thiết bị hiện đại phục vụ cho
cuộc sống như Laptop, Cell phone, mp3…mà vài thế kỷ trước chúng ta chưa hề nghĩ

tới. Để có những phát triển vượt bậc như ngày nay là phải kể đến cuộc cách mạng về
điện tử bắt đầu vào năm 1947 khi nhóm của William Shockley, John Bardeen và
Walter Brattain ở Phòng thí nghiệm Bell phát minh ra transistor bán dẫn đầu tiên dẫn
đến việc hình thành lên nền cơng nghiệp các linh kiện điện tử bán dẫn. Đỉnh cao của
cơng nghệ bán dẫn là các bộ vi xử lý thơng minh chứa hàng triệu linh kiện trong một
diện tích cực nhỏ. Đây là bước ngoặc to lớn cho sự hình thành các phát minh khoa học
sau này.
Theo báo cáo của hiệp hội cơng nghiệp bán dẫn quốc tế (SIA’s International
Technology Roadmap for Semiconductor, ITRS) kích thước của transistor trong IC
silic có thể giảm xuống dưới 100 nm ( cỡ 30 – 50 nm) tới 2014 và thực tế hiện nay kích
thước của transistor là 45 nm. Theo tài liệu này thì các linh kiện CMOS ngày nay sẽ
tiệm cận tới những giới hạn chức năng và vật lý của chúng có thể tiên đốn là 10 nm.
Những hiệu ứng lượng tử hiện đang bị bỏ qua trong vận chuyển của phần tử tải điện
khi đó sẽ được mong đợi như những vấn đề cơ bản.
Gần đây, các nhà nghiên cứu đã phải cơng nhận những hạn chế của cơng nghệ
điện tử truyền thống khiến cho việc phát triển cơng nghệ này tiến tới một giới hạn.
Trong vòng 30 năm cuối thế kỷ 20, mật độ transistor tích hợp trong mỗi chip IC tăng
gấp đơi (Định luật Moore I) sau mỗi khoảng 12-18 tháng, theo định luật Moore thì
cơng nghệ truyền thống đang dần tiến đến giới hạn của nó và cần có một cơng nghệ
mới để thay thế cơng nghệ truyền thống. Mặc khác hai vấn đề cơ bản có tính ngun
tắc đã nảy sinh. Đó là mâu thuẫn mang tính chất kinh tế (Định luật Moore II): giá thành
nhà máy chế tạo chip tăng lên gấp đơi sau 3 năm, trong khi thị trường tiêu thụ IC đã
tăng gấp đơi sau 5 năm. Khi kích thước của các linh kiện ngày càng nhỏ, hiện nay đã
xuống đến kích thước nanơmét, thì tính chất nó khơng còn giống như cơ học cổ điển
nữa mà có liên quan đến các hiệu ứng lượng tử. Chẳng hạn như đến năm 2020, mỗi
transistor sẽ chỉ còn là một chấm lượng tử và chỉ cần đến 1 điện tử (đơn điện tử) để
hoạt động. Đây là vùng phát huy tác dụng của các hiệu ứng lượng tử. Các hạn chế này
đã thúc đẩy các nhà vật lý tìm kiếm những linh kiện mới thay thế các linh kiện truyền
thống, các vật liệu mới để thay thế các vật liệu cũ. Chính vì thế mà cơng nghệ Nano ra
đời đáp ứng nhu cầu cấp thiết của xã hội đặt ra.

Hình 1: Định luật Moore I

Mật độ tích hợp các linh kiện bán dẫn càng nhiều theo thời gian làm cho công
nghệ chế tạo theo hướng truyền thống tiến đến giới hạn về kích thước.

Hình 2: Định luật Moore II
Để có cái nhìn tổng quan hơn về công nghệ nano, cũng như định nghĩa công
nghệ nano là gì. Đầu tiên ta nói đến nano là nói đến một phần tỷ của cái gì đó, ví dụ :
một nano giây là một khoảng thời gian bằng một phần tỷ của một giây. Còn nano mà


chúng ta dùng ở đây có nghĩa là nano mét, một phần tỷ của một mét. Nói một cách rõ
hơn là vật liệu chất rắn có kích thước là nm vì yếu tố quan trọng nhất mà chúng ta sẽ
làm việc là vật liệu ở trạng thái rắn. Vật liệu nano là một thuật ngữ rất phổ biến, tuy
vậy khơng phải ai cũng có một khái niệm rõ ràng về thuật ngữ đó. Để hiểu rõ khái
niệm vật liệu nano, chúng ta cần biết hai khái niệm có liên quan là khoa học nano
(nanoscience) và cơng nghệ nano (nanotechnology). Theo Viện hàn lâm hồng gia Anh
quốc thì :
Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp
(manipulation) vào vật liệu tại các quy mơ ngun tử, phân tử và đại phân tử. Tại các
quy mơ đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mơ lớn
hơn.
Cơng nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các
cấu trúc, thiết bị, và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước trên quy
mơ nano mét.
Vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano và cơng nghệ nano,
nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Kích thước của vật liệu nano trải một khoảng
khá rộng, từ vài nm đến vài trăm nm. Để có một con số dễ hình dung, nếu ta có một

quả cầu có bán kính bằng quả bóng bàn thì thể tích đó đủ để làm ra rất nhiều hạt nano
có kích thước 10 nm, nếu ta xếp các hạt đó thành một hàng dài kế tiếp nhau thì độ dài
của chúng bằng một ngàn lần chu vi của trái đất.
Vật liệu nano lại có sức hấp dẫn to lớn là nhờ vào tính chất của nó. Tính chất
thú vị của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng rất nhỏ bé có thể so sánh
với các kích thước tới hạn của nhiều tính chất hóa lí của vật liệu. Vật liệu nano nằm
giữa tính chất lượng tử của ngun tử và tính chất khối của vật liệu. Đối với vật liệu
khối, độ dài tới hạn của các tính chất rất nhỏ so với độ lớn của vật liệu, nhưng đối với
vật liệu nano thì điều đó khơng đúng nên các tính chất khác lạ bắt đầu từ ngun nhân
này.
II. ĐỐI TƯNG NGHIÊN CỨU
- Cấu trúc một số linh kiện điện tử nanô.
- Đặc trưng của một số linh kiện điện tử nanô.
III. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Các tài liệu hiện nay chỉ nghiên cứu cấu trúc của vật liệu nano là chủ yếu, cấu
trúc linh kiện điện tử nano vẫn đang tiến hành nghiên cứu.
IV. NHỮNG VẤN ĐỀ TỒN TẠI
Với sự cố gắng nỗ lực, người nghiên cứu đã trình bày được mô hình cấu trúc một
số linh kiện điện tử nano. Qua đó đã xây dựng chương trình mô phỏng các đặc trưng
I-V của RTD và CNTFET phục vụ cho học tập vàø nghiên cứu. Kết quả đề tài có thể
làm tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên cao học và giáo viên có nhu cầu
nghiên cứu về lónh vực này.
Tuy nhiên với thời gian, kinh phí có hạn nên đề tài chỉ mới mô phỏng hai chiều
(2D).


MỤC LỤC
A. Phần giới thiệu
- Tính cấp thiết của đề tài.
- Đối tượng nghiên cứu

- Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.
- Những vấn đề còn tồn tại.
- Mục lục.
B. Phần nội dung
- Mục đích nghiên cứu … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 2
- Phương pháp nghiên cứu … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 2
- Nội dung nghiên cứu … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 2
Chương 1. Một số khái niệm trong điện tử Nano……. … … … … … … … … … … … … 3
1.1. Hệ bán dẫn thấp chiều:… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .4
1.2. Chấm lượng tử: (Quantum dot)… … … … … … … … … … … … … … … … … … … 4
1.3. Dây lượng tử: (Quantumwire) …… … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..6
1.4. Giếng lượng tử: (Quatum well) … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .7
Chương 2. Linh kiện điện tử nano. … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 10
2.1. Các hiệu ứng vật lý cơ bản:.. .. .. .. .. … … … … … … … … … … … … … … … … … 11
2.2. Transistor đơn điện tử:(SET).. .. .. .. .. … … … … … … … … … … … … … … … .. 12
2.3. Diode xuyên hầm cộng hưởng: (RTD) … … … … … … … … … … … … … … … . 17
2.4. Transistor hiệu ứng trường ống nano cacbon (CNTFET) … … … … … … … 20
2.5. Một số cấu trúc linh kiện phân tử: … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 25
C. Phần kết luận
I. Tóm tắt công trình … …. …. … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 29
II. Tự nhận xét … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 29
III. Kết luận … . … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 20
Tài liệu tham khảo … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 30


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T38 - 2008

B

NỘI DUNG

Ths. NGUYỂN THỊ LƯỢNG

1


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T38 - 2008

I. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu cấu trúc một số linh kiện điện tử nanô.
- Mô phỏng quá trình vận chuyển của một số linh kiện điện tử nanô.
II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Phương pháp tham khảo tài liệu
- Xây dựng mô hình.
- Tính toán mô phỏng.
III. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu tổng quan về linh kiện điện tử nanô.
- Mô phỏng quá trình vận chuyển của một số linh kiện điện tử nanô.
- Viết tài liệu học tập.
- Viết báo cáo kết quả đề tài

Ths. NGUYỂN THỊ LƯỢNG

2


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T38 - 2008

CHƯƠNG I

MỘT SỐ KHÁI NIỆM TRONG
ĐIỆN TỬ NANƠ

Ths. NGUYỂN THỊ LƯỢNG

3


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T38 - 2008

Bước sang thế kỷ 21, các nước trên thế giới đang tích cực nghiên cứu và chuẩn bị
cho ra đời một lĩnh vực khoa học cơng nghệ mới mà tầm cỡ của nó được đánh giá ngang
tầm với các cuộc cách mạng cơng nghiệp trong lịch sử, đó là cơng nghệ nano. Khi nghiên
cứu các cấu trúc thấp chiều, cụ thể là cấu trúc khơng chiều, các nhà khoa học đã phát hiện
ra nhiều tính chất kì lạ và hữu dụng của vật liệu để có thể tạo nên những phần tử cơ bản
của vi điện tử trong tương lai, như chấm lượng tử, transistor một điện tử... Với những ưu
điểm nổi bật, chúng sẽ làm thay đổi bộ mặt của ngành điện tử viễn thơng và cơng nghệ
thơng tin, tạo ra một cuộc cách mạng mới trong tương lai.

1.1. Hệ bán dẫn thấp chiều:
Cấu trúc thấp chiều hình thành khi ta hạn chế khơng gian thành một mặt phẳng,
một đường thẳng hay một điểm, tức là ta hạn chế chuyển động của các electron theo ít
nhất là một hướng trong phạm vi khoảng cách cỡ bước sóng của nó (cỡ nm). Người ta tạo

ra được cấu trúc điện tử hai chiều (hay giếng thế lượng tử- quantum well) bằng cách tạo
một lớp bán dẫn mỏng, phẳng, nằm kẹp giữa hai lớp bán dẫn khác có độ rộng vùng cấm
lớn hơn. Các electron bị giam trong lớp mỏng ở giữa (cỡ vài lớp đơn tinh thể) và như vậy
chuyển động của chúng là chuyển động hai chiều, còn sự chuyển động theo chiều thứ ba
đã bị lượng tử hố mạnh. Tiếp tục như vậy, ta có thể hình thành nên cấu trúc một chiều
(quantum wire-dây lượng tử) và cấu trúc khơng chiều (quantum dot-chấm lượng tử). Các
cấu trúc thấp chiều có nhiều tính chất mới lạ so với cấu trúc thơng thường, cả về tính chất
quang, điện cũng như mật độ trạng thái.

Hình 1.1: Cấu trúc thấp chiều của một số loại linh kiện

1.2. Chấm lượng tử : (Quantum dot)
1.2.1. Cấu trúc:
Quantum dots (QDs) là những tinh thể nano bán dẫn (semiconductor
nanoncrystal), kích thước cỡ nm (10-9m) được cấu thành từ các cặp ngun tố thuộc các
Ths. NGUYỂN THỊ LƯỢNG

4


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T38 - 2008

cặp phân nhóm như II-VI, III-V, IV-VI, với kích thước từ 2-10 nm, chẳng hạn như các hệ
CdSe, ZnS, ... Mỗi QD có thể chứa từ 1-1000 electron.

Hình 1.2: Chấm lượng tử (Quantum dot)
Người ta có thể điều khiển cấu tạo, kích thước, hình dáng của quantum dot, và số
lượng các electron bên trong nó, cũng như điều khiển sự tương tác giữa các quantum dot

một cách chính xác nhờ sử dụng các kỹ thuật tiên tiến của cơng nghệ chế tạo nano. Trong
quantum dot, electron bị giam giữ theo cả ba chiều gần giống như các ngun tử và do đó
quantum dot thường được gọi là ngun tử nhân tạo, siêu ngun tử hay ngun tử
quantum dot.
Chấm lượng tử là những hệ 0D có thể giam được điện tử, tạo ra các mức năng
lượng gián đoạn như trong ngun tử, vì thế còn được gọi là ngun tử nhân tạo.
Ứng dụng của nó: nhiều vơ kể, từ việc tạo ra nguồn photon duy nhất bắn từng phát một,
đến việc tiến hành các thí nghiệm tinh vi của quang lượng tử như dao động Rabi. Rồi tạo
ra những transitor về spin, hay đơn giản là nguồn photon cho máy lượng tử ...
1.2.2. Tính chất:
Giống như ngun tử, các mức năng lượng trong quantum dot bị lượng tử hố
hồn tồn. Tuy nhiên, quantum dot có ưu điểm nổi bật so với ngun tử là có thể thay đổi
kích thước, hình dạng, cũng như số lượng electron trong nó. Và do đó, với quantum dot,
ta có thể mơ phỏng tồn bộ bảng hệ thống tuần hồn.
Điện trở của quantum dot tn theo cơng thức Landaur: R=h/Ne2i (với i là số mức
năng lượng trong quantum dot).
Quantum dot có nhiều tính chất quang học kì lạ: quantum dot hấp thụ ánh sáng rồi
lại nhanh chóng phát xạ nhưng với màu sắc khác... Vì kích thước bé nên chỉ điều chỉnh
Ths. NGUYỂN THỊ LƯỢNG

5


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T38 - 2008

kích thước một chút thì khả năng hấp thụ và phát xạ ánh sáng của quantum dot đã biến
đổi khá rõ. Bởi vậy nên quantum dot có độ nhạy và khả năng phát quang cao hơn nhiều so
với các vật liệu chế tạo ra nó. Ngồi tính chất là có thể điều chỉnh được độ đa dạng của

màu sắc phát xạ, quantum dot còn có thể được chế tạo sao cho có một quang phổ tối ưu
với nhiều màu sắc mà ta muốn có. Ta có thể điều chỉnh để quantum dot có thể hấp thụ ánh
sáng cho trước trong một dải phổ rộng, do đó chỉ cần dùng những nguồn sáng đơn giản, rẻ
tiền như đèn, laser, LED... để làm nguồn kích thích cho quantum dot. Ngược lại, bằng
một từ trường thích hợp, ta lại có thể điều khiển quantum dot chỉ hấp thụ và phát xạ ánh
sáng trong một dải phổ rất hẹp.

1.3. Dây lượng tử: (Quantumwire)
1.3.1. Cấu trúc:
Trong cấu trúc thấp chiều, nếu ta có sự giảm kích thước 1 chiều (điện tử chuyển
động tự do theo 2 chiều XY) thì ta có các giếng lượng tử (nanowell), đó là các màng
mỏng có chiều dày kích thước nano, các siêu mạng... Còn nếu ta giảm theo 2 chiều, có
nghĩa là điện tử chuyển động tự do theo 1 chiều, lúc đó ta sẽ có các dây lượng tử
(quantumwire hay nanowire).
Vật liệu một chiều hay còn gọi là dây lượng tử (quantum wire) là một loại chất rắn
thấp chiều bị giam giữ theo hai chiều y, z và hạt dẫn chỉ chuyển động tự do theo chiều x.
Các dây lượng tử này có thiết diện ngang vài nm và chiều dài có thể lên tới vài  m. Thiết
diện ngang của dây lượng tử này rất đa dạng có thể là hình tròn, hình vng, hình chữ
nhật,...Chính vì sự đa dạng về hình dáng mà người ta phân ra làm nhiều loại dây: nano
dây (nanowires), nano thanh (nanorods), nano lá (nanobelds), chùm (whishers),...

Hình 1.3: Nanowire dạng răng cưa
Ths. NGUYỂN THỊ LƯỢNG

Hình 1.4: Nano wire dạng răng lược
6


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T38 - 2008

Hình 1.5: Nanowire
1.3.2 Chế tạo:
Các dây lượng tử có thể chế tạo dưới nhiều dạng với nhiều loại hợp chất khác nhau
và một số hợp chất dùng để chế tạo dây lượng tử như:
- Các đơn chất như: Ge, Si, In,...
- Các oxit như: MgO, ZnO, SiO2, InO3, TiO2,...
- Các nitrit như: GaN, InN, AlN,...
- Các halogen kim loại như: CdS, CdSe, PbS, PbSe, ZnS, ZnSe,...
- Các hợp chất với Cacbon như: SiC, TiC,...
- Các hợp chất khác như: GaAs, InP, GaP,...
Các phương pháp chế tạo dây lượng tử:
Có rất nhiều phương pháp sử dụng để chế tạo các dây lượng tử nhưng chủ yếu sử
dụng 2 phương pháp chính sau:
Việc chế tạo các dây lượng tử tương đối phức tạp và phụ thuộc rất nhiều vào các
thơng số như tính dị hướng tinh thể, sự bão hòa,... nên khi chế tạo có thể phải kết hợp
nhiều phương pháp với nhau. Có 2 phương pháp chính dùng để tổng hợp nên dây lượng
tử như sau: Ni trong pha hơi, Ni dựa trên dung dịch :

1.4. Giếng lượng tử : (Quatum well)
1.4.1. Cấu trúc:
Nếu ta giảm kích thước theo một chiều ta có các cấu trúc kiểu các màng mỏng, cấu
trúc này gọi là giếng lượng tử (quantum well). Nếu phân chia vật liệu theo số chiều giam
giữ thì giếng lượng tử giam giữ theo một chiều nên gọi là 1D (còn lại 2 chiều tự do).
Ths. NGUYỂN THỊ LƯỢNG

7

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T38 - 2008

Hình 1.7: Cấu trúc của giếng lượng tử
1.4.2. Chế tạo Quantum Well:
Thực chất giếng lượng tử là các màng rất mỏng (chỉ vài lớp ngun tử) nên chế tạo
nó cũng chính là bằng các phương pháp chế tạo màng. Tuy nhiên, do màng rất mỏng nên
đòi hỏi các phương pháp rất tinh tế. Phương pháp thường sử dụng nhất là epitaxy chùm
phân tử (Molecular Beam Epitaxy - MBE). Đặc điểm của phương pháp này là các màng
mỏng đơn tinh thể được mọc lên từ lớp đế đơn tinh thể với tốc độ cực thấp và có độ hồn
hảo rất cao. Vì thế, kỹ thuật MBE cho phép tạo ra các siêu mỏng, thậm chí chỉ vài lớp
Ths. NGUYỂN THỊ LƯỢNG

8


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T38 - 2008

ngun tử với chất lượng rất cao. Tuy nhiên chất lượng của màng cũng như tốc độ hình
thành màng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhất là mơi trường chân
khơng. Kỹ thuật MBE chỉ có thể thực hiện được trong mơi trường chân khơng siêu cao
(áp suất thấp hơn 10-9 Torr), chính vì vậy mà phương pháp này tương đối phức tạp và giá
thành cao, nhưng bù lại chất lượng màng rất tốt.
MBE có thể chế tạo được các màng hợp chất hoặc đơn chất từ các nguồn vật liệu
riêng biệt. Các vật liệu nguồn được đốt đến mức độ bay hơi nhưng với tốc độ rất chậm và
được dẫn tới đế. Ở đó, nếu là màng hợp chất, các chất sẽ phản ứng với nhau chỉ tại bề mặt
đế để phát triển thành đơn tinh thể. Các chùm ngun tử, phân tử của các vật liệu nguồn

sẽ khơng phản ứng với nhau cho đến khi chúng kết hợp với nhau trên đế do quảng đường
tự do trung bình của chúng rất dài. Đây là lý do chính của tên gọi chùm phân tử.
Để tạo ra được mơi trường chân khơng siêu cao, ban đầu buồng chế tạo được hút
chân khơng sơ cấp (cỡ 10-3 Torr), sau đó sử dụng bơm tubo để tạo chân khơng cao tới 10-7
Torr và tạo chân khơng siêu cao bằng bơm ion hoặc bằng cryo-pump (bơm chân khơng
siêu cao, sử dụng các khí hóa lỏng ở nhiệt độ thấp, ví dụ như nitơ lỏng ở 77 K..., để bẫy
khí nhằm tạo ra chân khơng siêu cao). Chính vì thế mà hệ thống này khá tốn kém và phức
tạp.

Hình 1.8: Sơ đồ ngun lý của phương pháp epitaxy chùm phân tử
Ths. NGUYỂN THỊ LƯỢNG

9


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T38 - 2008

CHƯƠNG II

LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANO

Ths. NGUYỂN THỊ LƯỢNG

10


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T38 - 2008

2.1. Các hiệu ứng vật lý cơ bản:
2.1.1.Hiệu ứng thơng hầm lượng tử:
Hiện tượng thơng hầm lượng tử là hiện tượng các electron bằng các cơ chế của cơ
học lượng tử đã “đi xun” qua được bờ rào thế năng chắn giữa hai vùng chứa electron
ngay cả khi động năng của electron thấp hơn chiều cao của rào thế.
Hiện tượng thơng hầm lượng tử cộng hưởng (hình 2.1) là hiện tượng khi một
electron đến bờ rào thế năng của một hố thế, nếu năng lượng của nó “trùng khít” với một
mức năng lượng rời rạc nào đó trong hố thế thì electron đó sẽ vượt qua bờ rào vào hố thế
với xác suất tăng vọt. Nếu trong hố thế khơng tồn tại mức năng lượng nào bằng với năng
lượng của electron thì electron đó khơng thể vượt qua rào thế để vào trong hố thế. Điều
chỉnh các mức lượng tử trong hố thế lên xuống, ta có thể điều khiển q trình thơng hầm
của các electron.

Hình 2.1: Hiệu ứng xun hầm cộng hưởng
2.1.2. Hiệu ứng khố Coulomb:
Xét hai điện cực tích điện q1, q2 và cách nhau một khoảng 100nm - khoảng cách
đủ nhỏ để hiện tượng thơng hầm có thể xảy ra. Cả hệ thống được đặt trong mơi trường
chân khơng và ở gần 0oK. Ở điều kiện như vậy, hệ có năng lượng nhỏ nhất và phụ thuộc
vào độ chênh lệch điện tích giữa hai cực (hình 2.2). Nếu ban đầu điện tích ở hai cực là
bằng nhau thì theo định luật bảo tồn năng lượng, electron khơng thể di chuyển từ cực
bên trái sang cực bên phải. Ta nói đó là khố Coulomb.

Ths. NGUYỂN THỊ LƯỢNG

11


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T38 - 2008

Hình 2.2: Hiệu ứng Coulomb
Nhưng khi có sự chênh lệch điện tích giữa hai cực, giả sử q1= -e/2 và q2= e/2, thì
sẽ có duy nhất một electron chuyển từ cực bên trái sang cực bên phải. Nếu giả sử có thêm
1 electron nữa thơng hầm từ cực bên trái sang cực bên phải thì hiệu điện tích /q1-q2/ giữa
hai cực sau đó sẽ tăng, nên tổng năng lượng của tồn hệ tăng và khơng còn ở trạng thái ổn
định nữa. Do đó chỉ có thể có 1 electron duy nhất thơng hầm giữa hai điện cực. Như vậy
ta hồn tồn có thể chuyển dịch từng electron giữa hai cực bằng cách điều khiển chính
xác điện tích trên hai cực.

2.2. Transistor đơn điện tử:(SET)
2.2.1 Cấu tạo:
Transistor một điện tử (Single Electron Transistor -SET) cũng có cấu tạo 3 cực như
FET (G: Gate-cực cổng; D: Drain-cực máng; S: Source-cực nguồn). Mơ hình và mạch
điện tương đương của SET được miêu tả ở hình bên dưới:
=

Tunnel
junctions

Source

Gate

QD

Oxide layer

Drain

Hình 2.3 Cấu tạo của SET
Ths. NGUYỂN THỊ LƯỢNG

12


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T38 - 2008

ГD
Drain

V

ГS
Source

QD

CD

CS
CG

Gate
VG
Hình 2.4: Mơ hình và sơ đồ tương đương của SET

Cấu tạo của SET gồm có:
- Một giếng lượng tử được tạo bởi 2 tiếp giáp thơng hầm (tunnel junction) nối tiếp
với nhau bằng một Island (đảo) ở giữa, cực cổng G được gắn trực tiếp vào lớp này.
- SET có thể được sử dụng như một chuyển mạch được điều chỉnh bằng điện áp
đặt lên cực G.
- SET có khả năng giam giữ một hoặc vài electron tuỳ vào điện áp điều khiển.
Tuy nhiên sự khác nhau quan trọng giữa SET và FET đó là trong SET, kênh được
tách biệt khỏi nguồn và máng bằng tiếp xúc đường hầm và chấm lượng tử đóng vai trò
của kênh. Những thơng số hoạt động của SET phụ thuộc vào kích thước chấm lượng tử.
Những linh kiện đơn điện tử làm việc tại nhiệt độ phòng đã được chứng minh bằng thực
nghiệm. Tuy nhiên, hoạt động các mạch logic SET nhanh và phức tạp nói chung bị hạn
chế tại nhiệt độ rất thấp do kháng nhiễu thấp. Những đánh giá về các thơng số cổng logic,
dựa trên các SET 2 nm là tại nhiệt độ cực đại T  20 K, mật độ tích hợp n  1011 cm-2 và
tốc độ cỡ 1 GHz.
Có hai kiểu hoạt động để hiện thực các tác vụ logic với các linh kiện đơn điện tử.
Tiếp cận thứ nhất là biểu diễn một bit bởi một điện tử (logic trạng thái bit) và sử dụng
SET để chuyển các điện tử lần lượt. Trong tiếp cận thứ hai, mỗi bit được biểu diễn bởi
hơn một điện tử nạp cho tụ tới một thế riêng.

Ths. NGUYỂN THỊ LƯỢNG

13


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T38 - 2008

Những mạch logic SET có kháng nhiễu thấp và khả năng tải thấp so với các mạch

logic MOSFET thơng thường. Sự kháng nhiễu thấp là do ảnh hưởng của điện tích ký sinh
nhưng là phổ biến đối với các linh kiện điện tử nanơ trong cùng thang. Một cách tương tự,
khả năng tải hạn chế là hệ quả trực tiếp phải đương đầu chỉ với linh kiện đơn điện tử.
Khả năng kháng nhiễu thấp và khả năng tải thấp làm cho SET khó cạnh tranh trực
tiếp với các linh kiện CMOS được sử dụng để hiện thực các tác vụ logic Boolean. Do đó,
điều quan trọng là phát triển các ứng dụng và kiến trúc khai thác chức năng duy nhất của
linh kiện SET trong cách tối ưu. Logic SET có thể lập trình và logic nhiều giá trị là những
thí dụ về cải tiến chức năng có thể nhờ sử dụng SET. Sử dụng bản chất tuần hồn của đặc
trưng I-V của SET để hiện thực « logic quay » là thí dụ khác. Cũng tương tự như vậy, các
mạch lai SET/FET, ở đó các yếu tố logic đơn điện tử silic được kết hợp với MOSFET cho
một số hứa hẹn.
2.2.2. Ngun lý hoạt động của SET:
Hoạt động của SET dựa trên hai hiệu ứng vật lý “thơng hầm lượng tử” và “khố
Colomb”đã trình bày ở trên.

Hình 2.4: Mơ hình của SET
Trong giếng thế tồn tại các mức năng lượng đã bị lượng tử hố. Như trên hình 2.5
ta thấy khi thay đổi điện áp Vgate có thể dịch chuyển các mức năng lượng trong giếng thế
lên hoặc xuống. Khi nào có một mức năng lượng nào đó trong giếng thế trùng với mức
thế năng của cực S thì có một electron sẽ thơng hầm qua hàng rào thế thứ nhất vào vùng
đảo (Island). Tiếp đó, do điện áp vùng island giảm xuống nên mức năng lượng mà chứa
electron sẽ hạ xuống cho đến khi bằng với mức thế năng của cực D thì electron đó sẽ
chuyển sang cực D.
Như vậy, từng electron sẽ được chuyển từ cực nguồn sang cực máng dưới sự điều
khiển của Vgate.

Ths. NGUYỂN THỊ LƯỢNG

14

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T38 - 2008

Hình 2.5: Ngun lý hoạt động của SET
2.2.3. Những đặc trưng cơ bản của SET:
- Điện trở rào thế: RT >> RQ =

h
 26 k 
e2

- Năng lượng trong giếng: EC =

e2
2C

- Electron có thể xun hầm được khi thỏa mãn điều kiện của khóa
coulomb: e  E 

e2
(rào cản coulomb).
2C

Ths. NGUYỂN THỊ LƯỢNG

15

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T38 - 2008

- Ảnh hưởng của nhiệt độ: Với nhiệt độ khác nhau thì đường đặc tính volt –
ampere cua SET cũng thay đổi theo. Và ta có thể dễ dàng nhận thấy điều này qua hình 5
dưới đây:

Hình 2.6: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đường đặc trưng V – I của SET

- Ngồi ra nhiệt độ còn ảnh hưởng đến dòng IDS khi điện áp VDS là cố định:

Ths. NGUYỂN THỊ LƯỢNG

16


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T38 - 2008

Hình 2.7: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến dòng IDS
2.2.4.Những ứng dụng của quantum dot và SET:
Ưu điểm nổi bật của các linh kiện quantum dot là kích thước vơ cùng nhỏ, tiêu thụ
rất ít năng lượng và tốc độ hoạt động cực nhanh. Với các mạch điện tử nano, chúng ta
khơng còn gặp phải các vấn đề về tỏa nhiệt, cách điện và đặc biệt là hiện tượng thơng hầm
giữa các bộ phận hay phần tử trong mạch như là đối với các mạch điện truyền thống.
Một SET kích thước cỡ nano có thể hoạt động như một cổng logic số. SET còn có
thể thay thế cho c là vật liệu để sản xuất các cơng tắc quang học. Một chấm lượng tử đơn
nhất có thể hoạt động như một đơn vị điện tử siêu nhỏ, chẳng hạn bóng bán dẫn, để hình

thành nên cơ sở của thiết bị điện tử cỡ nano. Với kích cỡ 1-6nm, hàng tỷ chấm lượng tử
có thể nằm gọn trên một đầu đinh ghim.
Người ta tổ chức các quantum dot thành các tế bào, mỗi tế bào gồm có năm
quantum dot. Các tế bào lại được tổ chức thành mảng, thành ma trận quantum dot hoạt
động như một linh kiện đơn, thực hiện các chức năng có độ phức tạp rất cao, và đưa kết
quả tới đầu ra trong một khoảng thời gác mạch flip-flop truyền thống phức tạp. Các phần
tử nhớ truyền thống chỉ có hai trạng thái nhớ 0 và 1, trong khi phần tử nhớ SET có số
trạng thái nhớ có thể điều khiển được (chính bằng số trạng thái lượng tử trong hố thế). Và
do đó, ta có thể xây dựng nên các bộ nhớ có dung lượng khổng lồ, tốc độ ghi đọc cực
nhanh và kích thước siêu gọn.
Gần đây, các nhà hóa học thuộc ĐH Vanderbilf (Mỹ) tình cờ phát hiện một cách
làm cho những chấm lượng tử phát ra ánh sáng trắng. Với khám phá này, trong tương lai
chấm lượng tử sẽ được sử dụng để làm những đi-ốt phát quang (Led), thay thế cho bóng
đèn dây tóc hiện nay. Bộ Năng lượng Mỹ ước tính thắp sáng bằng Led sẽ giúp giảm 29%
lượng điện năng thắp sáng ở Mỹ vào năm 2025, giúp các hộ gia đình tiết kiệm 125 triệu
đơla.
Quantum dot cũng có thểian ngắn hơn nhiều so với thời gian chuyển đổi trạng thái
của một transistor truyền thống. Hiện nay, chúng ta gặp khó khăn trong việc thiết kế các
ma trận quantum dot để chúng hoạt động theo những chức năng mà ta mong muốn. Các tế
bào quantum dot cũng rất nhạy với nhiễu.

2.3. Diode xuyên hầm cộng hưởng: (RTD) (Resonant Tunneling Diode)
Diode xun hầm cộng hưởng mới được nghiên cứu và ứng dụng gần đây nhưng
ảnh hưởng của nó vơ cùng to lớn và có ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Cấu tạo cũng như
phương thức hoạt động sẽ được trình bày sau.

Ths. NGUYỂN THỊ LƯỢNG

17

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

T38 - 2008

2.3.1. Cấu trúc Diode xun hầm cộng hưởng:
Diode đường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Diode – RTD) là linh kiện
đơn cực, điểm nổi bật của RTD là tồn tại một vùng điện trở vi phân âm.
Trạng thái năng lượng
kích thích thứ nhất đối
với
N + 1 điện tử trong giếng
thế.

eV

Trạng thái năng lượng
Các mức không thấp nhất đối với N +
1 điện tử trong giếng
bò chiếm
thế.
Dải dẫn



EF


U

Tiếp xúc Vùng Vùng
kim loại nguồn rào

Vùng
đảo

Trạng thái năng lượng thấp nhất đối
với N điện tử trong giếng thế.
Tiếp xúc
Vùng Vùng
kim loại
rào máng

Bán dẫn

nm

Bán dẫn

Bán dẫn vùng cấm rộng
Bán dẫn vùng cấm hẹp

Hình 2.8: Cấu trúc của diode xun hầm cộng hưởng






2.3.2. Các đặc tính của RTD:

Tính cực nhạy (theo hàm mũ) của dòng xun hầm đối với độ rộng rào-giếng lượng
tử, đặc biệt là đối với nhiệt độ và nồng độ pha tạp. Dưới ảnh hưởng của các tham số
này thì đặc trưng I-V của RTD thay đổi một cách nhanh chóng.
Đặc tính tần số cao: tốc độ cao, thích hợp cho các bộ tạo dao động, cơng tắc siêu cao
tần, dải tần THz.
Đặc tính xun hầm cộng hưởng: Đặc trưng cấu trúc hai rào một giếng lượng tử sẽ
giúp ta điều khiển các q trình vật lý bên trong và tần số dao động mạch.
Đặc tính áp suất: Khả năng nhạy do hiệu ứng áp suất, sử dụng hiệu ứng này để đo áp
lực và sức căng. Lợi dụng đặc trưng này để chế tạo các cảm biến áp suất.
Đặc tính chịu bức xạ cao: Khả năng hoạt động khi ở mơi trường có bức xạ cao, chẳng
hạn ứng dụng trong các mạch vệ tinh.

Ths. NGUYỂN THỊ LƯỢNG

18