Luận văn thạc sĩ mô phỏng transistor đơn điện tử set sử dụng phương pháp hàm green luận văn ths vật liệu và linh kiện nano

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu mô phỏng transistor đơn điện tử set sử dụng phương pháp hàm green luận văn ths vật liệu và linh, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Vũ Thị Ngọc Thu
• Người hướng dẫn: PGS.TS Đinh Sỹ Hiền
• Trường học: Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô
• Đề tài: Mô Phỏng Transistor Đơn Điện Tử Sử Dụng Phương Pháp Hàm Green
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LINH KIỆN TRANSISTOR ĐƠN ĐIỆN TỬ
• 1.1. Từ vi điện tử đến điện tử nano
• 1.2. Linh kiện điện tử nano
• 1.3. Hoạt động truyền tải điện tử trong các hệ thống thang nanomet
• 1.4. Cơ sở thuyết chính thống “Orthodox theory”
• 1.5. Sự tích điện bên trong chấm lượng tử
• 1.6. Cơ sở thuyết chính thống
• 1.7. Hạn chế của thuyết chính thống
• 1.8. Tổng quan về những nghiên cứu liên quan đến transistor đơn điện tử
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC TÍNH DÒNG QUA TRANSISTOR ĐƠN ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP HÀM GREEN
• 2.1. Cơ sở xuyên hầm của điện tử trong linh kiện transistor đơn điện tử
• 2.2. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của transistor đơn điện tử
• 2.3. Quan sát hiện tượng xuyên hầm
• 2.4. Điều kiện quan sát dao động xuyên hầm của đơn điện tử
• 2.5. Những khái niệm cơ bản của transistor đơn điện tử
• 2.6. Mô hình thông số của transistor đơn điện tử
• 2.7. Điều kiện hoạt động truyền tải điện tử ở chế độ chấm lượng tử
• 2.8. Tốc độ xuyên hầm của điện tử
• 2.9. Transistor đơn điện tử với chấm lượng tử một mức
• 2.10. Quan sát dao động Coulomb
• 2.11. Dòng qua chấm lượng tử một mức
• 2.12. Chấm lượng tử với nhiều trạng thái tích điện: hình thoi Coulomb
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG SỰ VẬN CHUYỂN ĐIỆN TỬ TRONG TRANSISTOR ĐƠN ĐIỆN TỬ
• 3.1. Mô hình tính dòng qua transistor đơn điện tử với chấm lượng tử một mức
• 3.2. Mô phỏng những đặc trưng của transistor đơn điện tử trên phần mềm MATLAB
• 3.3. Lưu đồ giải thuật tính dòng qua transistor đơn điện tử
• 3.4. Những đặc trưng của transistor đơn điện tử mô phỏng được
• 3.5. Quan sát dao Coulomb của transistor đơn điện tử với chấm lượng tử một mức
• 3.6. Quan sát vùng khoá Coulomb của transistor đơn điện tử với chấm lượng tử một mức
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC: Code Matlab chương trình mô phỏng

Tóm tắt

I. Tổng quan về linh kiện transistor đơn điện tử

Trong bối cảnh phát triển công nghệ nano, mô phỏng transistor đơn điện tử (SET) đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng. Transistor đơn điện tử là linh kiện có khả năng điều khiển chuyển động của từng điện tử, hoạt động dựa trên hiệu ứng đường hầm. Sự phát triển của công nghệ nano đã mở ra hướng đi mới cho việc chế tạo các linh kiện điện tử với kích thước siêu nhỏ, tiêu tán công suất thấp và hiệu suất cao. Theo quy luật Moore, số lượng transistor trên một chip điện tử tăng lên gấp đôi sau mỗi 18 tháng, điều này đã thúc đẩy nhu cầu nghiên cứu và phát triển các linh kiện điện tử mới. Vật liệu nano như chấm lượng tử và transistor đơn điện tử đang được nghiên cứu để thay thế cho các linh kiện truyền thống như MOSFET. Những nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất.

1.1. Từ vi điện tử đến điện tử nano

Khoa học và công nghệ hiện đại yêu cầu các thiết bị điện tử có kích thước nhỏ gọn và hiệu suất cao. Điện tử nano đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, với mục tiêu phát triển các linh kiện điện tử có kích thước nanomet. Sự phát triển của công nghệ vi điện tử đã dẫn đến việc chế tạo các linh kiện như transistor đơn điện tử. Những linh kiện này không chỉ có kích thước nhỏ mà còn hoạt động dựa trên các nguyên lý cơ học lượng tử, cho phép điều khiển chính xác chuyển động của từng điện tử. Việc áp dụng phương pháp hàm Green trong mô phỏng các linh kiện này giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về hoạt động của chúng trong các điều kiện khác nhau.

II. Xây dựng mô hình toán học tính dòng qua transistor đơn điện tử sử dụng phương pháp hàm Green

Mô hình toán học cho transistor đơn điện tử được xây dựng dựa trên phương pháp hàm Green. Mô hình này cho phép tính toán dòng điện qua transistor trong các điều kiện khác nhau, bao gồm cả điều kiện nhiệt độ thấp và điện thế thiên áp. Hàm Green giúp mô tả sự vận chuyển điện tử trong các linh kiện nano, từ đó cung cấp cái nhìn sâu sắc về các hiện tượng như dao động Coulomb và sự tích điện bên trong chấm lượng tử. Việc áp dụng mô hình này không chỉ giúp dự đoán các đặc tính của transistor đơn điện tử mà còn hỗ trợ trong việc thiết kế và tối ưu hóa các linh kiện điện tử trong tương lai. Các kết quả từ mô phỏng cho thấy sự ảnh hưởng của các tham số như kích thước, nhiệt độ và vật liệu lên đặc tuyến dòng - thế của linh kiện.

2.1. Cơ sở xuyên hầm của điện tử trong linh kiện transistor đơn điện tử

Cơ chế hoạt động của transistor đơn điện tử dựa trên hiệu ứng đường hầm, cho phép điện tử xuyên qua các rào cản năng lượng. Mô hình toán học sử dụng hàm Green để mô tả quá trình này, từ đó tính toán dòng điện qua transistor. Các nghiên cứu cho thấy rằng, khi kích thước của linh kiện giảm xuống thang nanomet, các hiệu ứng lượng tử trở nên quan trọng hơn, ảnh hưởng đến khả năng truyền tải điện tử. Việc hiểu rõ cơ chế xuyên hầm không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của transistor đơn điện tử mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các linh kiện điện tử trong tương lai.

III. Mô phỏng sự vận chuyển điện tử trong transistor đơn điện tử

Mô phỏng sự vận chuyển điện tử trong transistor đơn điện tử được thực hiện thông qua phần mềm MATLAB. Các mô phỏng này cho phép quan sát các đặc trưng của transistor, bao gồm dòng qua chấm lượng tử và dao động Coulomb. Kết quả mô phỏng cho thấy sự ảnh hưởng của các tham số như điện thế điều khiển, kích thước chấm lượng tử và nhiệt độ lên đặc tuyến dòng - thế của linh kiện. Những thông tin này rất quan trọng trong việc thiết kế và tối ưu hóa các linh kiện điện tử trong tương lai. Việc sử dụng phương pháp hàm Green trong mô phỏng không chỉ giúp hiểu rõ hơn về hoạt động của transistor đơn điện tử mà còn cung cấp cơ sở lý thuyết cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu nano.

3.1. Mô hình tính dòng qua transistor đơn điện tử với chấm lượng tử một mức

Mô hình tính dòng qua transistor đơn điện tử với chấm lượng tử một mức được xây dựng dựa trên các nguyên lý cơ bản của hàm Green. Mô hình này cho phép tính toán chính xác dòng điện qua transistor trong các điều kiện khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy sự ảnh hưởng của các tham số như điện thế điều khiển và kích thước chấm lượng tử lên đặc tuyến dòng - thế. Những thông tin này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của transistor đơn điện tử mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các linh kiện điện tử trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ vi điện tử, việc thu nhỏ kích thước linh kiện điện tử xuống thang nanomet đã trở thành xu hướng tất yếu nhằm tăng mật độ tích hợp và giảm tiêu thụ năng lượng. Theo quy luật Moore, số lượng transistor trên một chip điện tử tăng gấp đôi mỗi 18 tháng, đồng thời kích thước transistor giảm theo hàm mũ, hiện đã đạt đến cỡ 45nm và dự báo sẽ còn giảm xuống dưới 10nm trong tương lai gần. Tuy nhiên, khi kích thước linh kiện tiếp cận thang nanomet, các hiệu ứng lượng tử như lượng tử hóa năng lượng và hiệu ứng xuyên hầm trở nên chi phối hoạt động của linh kiện, khiến các mô hình truyền thống như MOSFET không còn phù hợp.

Luận văn tập trung nghiên cứu transistor đơn điện tử (Single Electron Transistor - SET), một linh kiện điện tử nano có khả năng điều khiển chuyển động từng điện tử dựa trên hiệu ứng xuyên hầm lượng tử và dao động khóa Coulomb. Mục tiêu chính là xây dựng mô hình toán học tính dòng điện qua transistor đơn điện tử SET sử dụng phương pháp hàm Green trạng thái không cân bằng (NEGF) và phát triển bộ mô phỏng trên nền MATLAB để phân tích ảnh hưởng của các tham số kích thước, nhiệt độ, vật liệu chấm lượng tử và điện thế điều khiển đến đặc tính dòng - thế của linh kiện.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các linh kiện SET với chấm lượng tử kích thước nanomet, hoạt động ở nhiệt độ thấp (khoảng 10K) và điện thế thiên áp nhỏ, nhằm đảm bảo điều kiện quan sát dao động Coulomb rõ ràng. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển linh kiện điện tử nano tiêu thụ công suất thấp, mở ra hướng đi mới cho thiết kế vi mạch thế hệ tiếp theo với mật độ tích hợp cao và hiệu suất năng lượng vượt trội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính:

1. Thuyết chính thống (Orthodox Theory): Đề xuất bởi Kulik và Shekhter, thuyết này mô tả hoạt động của linh kiện đơn điện tử dựa trên hiệu ứng lượng tử hóa điện tích và hiệu ứng xuyên hầm. Thuyết giả định phổ năng lượng liên tục trong chấm lượng tử, bỏ qua sự lượng tử hóa năng lượng, và yêu cầu trở kháng tiếp xúc đường hầm lớn hơn nhiều so với trở kháng lượng tử (khoảng 25,8 kΩ) để quan sát dao động khóa Coulomb.

2. Phương pháp hàm Green trạng thái không cân bằng (NEGF): Đây là công cụ toán học hiện đại dùng để mô phỏng dòng điện trong các hệ thống nano có trạng thái không cân bằng do chênh lệch mức năng lượng Fermi giữa các điện cực. NEGF cho phép tính toán xác suất chiếm giữ trạng thái năng lượng trong chấm lượng tử và dòng điện qua linh kiện SET với độ chính xác cao, đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ thấp và điện thế thiên áp nhỏ.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm:

• Chấm lượng tử (Quantum Dot - QD): Vùng dẫn nhỏ có kích thước nanomet, nơi điện tử bị lượng tử hóa năng lượng.
• Dao động khóa Coulomb (Coulomb Blockade Oscillation): Hiện tượng dòng điện qua SET biến đổi tuần hoàn theo điện thế cực cổng do sự lượng tử hóa điện tích.
• Tốc độ xuyên hầm (Tunneling Rate, Γ): Tần số điện tử xuyên hầm qua rào thế giữa chấm lượng tử và các điện cực.
• Điện dung tổng (CT): Tổng điện dung của các tụ điện ghép giữa chấm lượng tử và các điện cực, ảnh hưởng đến năng lượng tích điện EC.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mô hình lý thuyết và số liệu mô phỏng được xây dựng dựa trên các tham số vật lý thực tế của linh kiện SET, như kích thước chấm lượng tử (khoảng 10nm), điện dung, điện trở tiếp xúc, nhiệt độ hoạt động (10K), và điện thế điều khiển.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Xây dựng mô hình toán học tính dòng điện qua transistor đơn điện tử SET dựa trên phương trình trạng thái và phương pháp hàm Green NEGF.
• Phát triển bộ mô phỏng trên phần mềm MATLAB để tính toán và biểu diễn đặc tính dòng - thế của linh kiện.
• Thực hiện các kịch bản mô phỏng thay đổi các tham số kích thước (W, L, tox), vật liệu chấm lượng tử, nhiệt độ và điện thế thiên áp để đánh giá ảnh hưởng đến dao động khóa Coulomb và đặc tính dòng điện.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian từ năm 2009 đến 2010, với các bước chính gồm tổng quan lý thuyết, xây dựng mô hình, lập trình mô phỏng và phân tích kết quả.

Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình mô phỏng trên các cấu hình transistor đơn điện tử với chấm lượng tử một mức và nhiều mức tích điện, nhằm phản ánh các trạng thái thực tế của linh kiện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô hình toán học tính dòng điện qua SET sử dụng NEGF thành công: Mô hình cho phép mô phỏng chính xác đặc tính dòng - thế của transistor đơn điện tử SET với chấm lượng tử một mức, thể hiện rõ dao động khóa Coulomb với các đỉnh dòng điện cách nhau bởi điện thế cực cổng khoảng vài mV, phù hợp với các kết quả thực nghiệm.

2. Ảnh hưởng của kích thước linh kiện đến dao động Coulomb: Khi kích thước chấm lượng tử giảm từ 25nm xuống 10nm, năng lượng tích điện EC tăng lên gần 100 meV, giúp dao động Coulomb có thể quan sát được ở nhiệt độ phòng. Thay đổi các tham số kích thước như chiều rộng W, chiều dài L và độ dày lớp oxide tox ảnh hưởng rõ rệt đến biên độ và tần số dao động khóa Coulomb, với sự biến thiên dòng điện lên đến 30-40%.

3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và điện thế thiên áp: Nhiệt độ tăng từ 10K lên 50K làm giảm biên độ dao động khóa Coulomb khoảng 25%, do sự tăng năng lượng nhiệt làm mờ các mức năng lượng lượng tử. Điện thế thiên áp Vds tăng làm mở rộng vùng dẫn, tăng dòng điện qua linh kiện lên khoảng 20%, nhưng cũng làm giảm độ rõ nét của dao động Coulomb.

4. Ảnh hưởng của vật liệu chấm lượng tử: Sử dụng các vật liệu khác nhau như Au, GaAs, InAs cho chấm lượng tử ảnh hưởng đến năng lượng kích thích lượng tử ΔE và điện dung CT, từ đó thay đổi đặc tính dòng điện và dao động khóa Coulomb. Ví dụ, chấm lượng tử GaAs cho dao động rõ nét hơn so với Au do mật độ trạng thái và điện dung khác biệt.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình NEGF là công cụ hiệu quả để mô phỏng dòng điện trong transistor đơn điện tử SET, đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ thấp và điện thế thiên áp nhỏ. Sự phụ thuộc của dao động khóa Coulomb vào kích thước và vật liệu chấm lượng tử phù hợp với các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết trước đây, khẳng định tính khả thi của linh kiện SET trong các ứng dụng nanoelectronics.

Biểu đồ dòng điện theo điện thế cực cổng (Id-Vgs) và điện thế nguồn - máng (Id-Vds) minh họa rõ các đỉnh dao động Coulomb, có thể được sử dụng để thiết kế các linh kiện chuyển mạch với tiêu thụ năng lượng thấp. So sánh với các mô hình khác, mô hình này có ưu điểm là tính toán chính xác hơn trong vùng khóa Coulomb và có thể mở rộng cho các trạng thái tích điện phức tạp.

Tuy nhiên, mô hình còn hạn chế khi chỉ áp dụng cho điều kiện nhiệt độ thấp và điện thế thiên áp nhỏ, chưa mô phỏng được hoạt động ở nhiệt độ phòng hoặc điều kiện thực tế phức tạp hơn. Đây là hướng nghiên cứu tiếp theo cần được phát triển.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển mô hình mở rộng cho nhiệt độ phòng: Nghiên cứu và tích hợp các hiệu ứng nhiệt độ cao vào mô hình NEGF để mô phỏng hoạt động của transistor đơn điện tử SET ở điều kiện nhiệt độ phòng, nhằm tăng tính ứng dụng thực tế.

2. Tối ưu hóa kích thước và vật liệu chấm lượng tử: Thực hiện các nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của vật liệu và kích thước chấm lượng tử đến năng lượng tích điện và dao động khóa Coulomb, nhằm thiết kế linh kiện có hiệu suất cao và ổn định.

3. Xây dựng bộ công cụ mô phỏng tích hợp: Phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp trên nền tảng MATLAB hoặc các ngôn ngữ lập trình khác, hỗ trợ thiết kế và phân tích linh kiện SET cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư thiết kế vi mạch.

4. Hợp tác với các phòng thí nghiệm công nghệ nano: Tăng cường hợp tác với các phòng thí nghiệm công nghệ nano để thực hiện các thí nghiệm xác nhận mô hình, đồng thời phát triển quy trình chế tạo linh kiện SET với độ chính xác cao.

Các giải pháp trên nên được triển khai trong vòng 3-5 năm tới, với sự phối hợp giữa các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và giảng viên lĩnh vực vật liệu và linh kiện nano: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình toán học chi tiết về transistor đơn điện tử, hỗ trợ nghiên cứu phát triển linh kiện nano mới.

2. Kỹ sư thiết kế vi mạch và linh kiện bán dẫn: Các mô hình và kết quả mô phỏng giúp thiết kế linh kiện tiêu thụ năng lượng thấp, phù hợp cho các ứng dụng vi mạch thế hệ mới.

3. Sinh viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành vật lý chất rắn, điện tử nano: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá về lý thuyết và phương pháp mô phỏng transistor đơn điện tử, giúp nâng cao kiến thức chuyên sâu.

4. Doanh nghiệp công nghệ nano và vi điện tử: Thông tin trong luận văn hỗ trợ phát triển sản phẩm linh kiện điện tử nano, đồng thời định hướng đầu tư nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.

Câu hỏi thường gặp

1. Transistor đơn điện tử SET khác gì so với MOSFET truyền thống?
   SET điều khiển dòng điện bằng cách kiểm soát chuyển động từng điện tử dựa trên hiệu ứng xuyên hầm và dao động khóa Coulomb, trong khi MOSFET dựa trên hiệu ứng trường điện tử. SET có kích thước nhỏ hơn, tiêu thụ công suất thấp hơn và phù hợp với công nghệ nano.

2. Tại sao phải sử dụng phương pháp hàm Green NEGF trong mô phỏng SET?
   Phương pháp NEGF cho phép mô phỏng trạng thái không cân bằng và các hiệu ứng lượng tử trong hệ thống nano, giúp tính toán chính xác dòng điện qua chấm lượng tử trong điều kiện chênh lệch mức năng lượng Fermi giữa các điện cực.

3. Điều kiện để quan sát dao động khóa Coulomb là gì?
   Năng lượng bổ sung điện tích EC + ΔE phải lớn hơn nhiều so với năng lượng nhiệt kBT, và trở kháng tiếp xúc đường hầm RT phải lớn hơn nhiều so với trở kháng lượng tử (~25,8 kΩ) để tránh các thăng giáng lượng tử làm mờ dao động.

4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt động của SET như thế nào?
   Nhiệt độ cao làm tăng năng lượng nhiệt kBT, làm mờ các mức năng lượng lượng tử và giảm biên độ dao động khóa Coulomb, khiến SET khó hoạt động ổn định ở nhiệt độ phòng nếu kích thước chấm lượng tử không đủ nhỏ.

5. Làm thế nào để cải thiện hiệu suất của transistor đơn điện tử SET?
   Có thể tối ưu hóa kích thước và vật liệu chấm lượng tử để tăng năng lượng tích điện, giảm điện dung và trở kháng tiếp xúc, đồng thời phát triển mô hình mô phỏng chính xác hơn để thiết kế linh kiện phù hợp với điều kiện thực tế.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học tính dòng điện qua transistor đơn điện tử SET sử dụng phương pháp hàm Green NEGF, phù hợp với điều kiện nhiệt độ thấp và điện thế thiên áp nhỏ.
• Mô phỏng trên MATLAB cho thấy ảnh hưởng rõ rệt của kích thước, vật liệu, nhiệt độ và điện thế điều khiển đến đặc tính dòng - thế và dao động khóa Coulomb của linh kiện.
• Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng hiểu biết về linh kiện điện tử nano, hỗ trợ phát triển các thiết bị tiêu thụ năng lượng thấp và mật độ tích hợp cao trong vi mạch tương lai.
• Hạn chế hiện tại là mô hình chưa áp dụng được cho nhiệt độ phòng và điều kiện thực tế phức tạp, cần nghiên cứu mở rộng trong các bước tiếp theo.
• Khuyến nghị phát triển mô hình cho nhiệt độ cao, tối ưu hóa vật liệu và kích thước, đồng thời tăng cường hợp tác thực nghiệm để hoàn thiện công nghệ linh kiện SET.

Để tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng, các nhà khoa học và kỹ sư được khuyến khích sử dụng mô hình và bộ công cụ mô phỏng này, đồng thời mở rộng nghiên cứu về các linh kiện điện tử nano khác nhằm thúc đẩy sự phát triển của công nghệ nanoelectronics trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ LINH KIỆN TRANSISTOR ĐƠN ĐIỆN TỬ 1. TỪ VI ĐIỆN TỬ ĐẾN ĐIỆN TỬ NANO Khoa học và đời sống đòi hỏi có các thiết bị điện tử siêu nhỏ, tiêu tán công suất thấp, hiệu suất sử dụng năng lượng cao, hoạt động ổn định ở dải nhiệt độ rộng, trong môi trường có áp lực lớn hay chân không. Đó là động lực thúc đẩy mạnh mẽ những nghiên cứu về linh kiện điện tử [1, 3]. Từ những năm 1960 của thế kỷ XX có một công nghệ nổi trội, ảnh hưởng to lớn đến nhiều ngành công nghệ khác, làm thay đổi cả đời sống xã hội, đó là công nghệ vi điện tử.

Nhờ có công nghệ vi điện tử mới có công nghệ thông tin, công nghệ thông tin đã làm cho xã hội trở thành xã hội thông tin, xuất hiện nền kinh tế tri thức, xu thế toàn cầu hoá. Một trong những thành tựu cực kỳ to lớn trong lĩnh vực chế tạo vi điện tử bán dẫn trong suốt ba thập kỷ qua dựa trên linh kiện transistor hiệu ứng trường MOSFET làm tăng mật độ tích hợp linh kiện trong chip số và bộ nhớ [1]. Những phát triển nhanh chóng của xã hội hiện nay đều liên quan đến sự phát triển của công nghệ vi điện tử, công nghệ mới từ gần bốn mươi năm qua luôn phát triển theo hàm mũ. Thật vậy, từ cuối những năm 1960, Gordon Moore người đồng sáng lập hãng Intel (Mỹ) đã đưa ra nhận xét, về sau người ta gọi là quy luật Moore: cứ 18 tháng số transistor trên một chip điện tử tăng lên gấp đôi [3, 6].

Cho đến nay, quy luật đó vẫn được thực tế nghiệm đúng. Số transistor tích hợp trên một chip tăng nhanh như vậy, tất nhiên là đi đôi với việc diện tích cần cho một transistor ở trên chip cũng giảm theo hàm mũ.1: Quy luật Moore cho thấy số transistor trên một chip điện tử cứ 18 tháng tăng lên gấp đôi.2: Số transistor trên một chip điện tử tăng lên đi đôi với kích thước transistor giảm. Như vậy, theo quy luật Moore và đúng như diễn biến thực tế của công nghệ vi điện tử, kích thước một linh kiện điện tử trong mạch tích hợp đến nay đã nhỏ hơn micromet và nếu cứ theo đúng quy luật Moore thì đến năm 2010, kích 5 z thước linh kiện chỉ vài phần trăm micromet. Theo dự báo của Hiệp hội Công nghệ bán dẫn quốc tế (ITRS – SIA’s International Technology Roadmap for Semiconductors) kích thước của transistor có thể giảm xuống dưới 100nm (cỡ 30nm đến 50nm), chiều dài của điện cực cổng G của MOSFET sẽ dưới 10nm đến năm 2014 (bảng 1.

Thực tế hiện nay kích thước transistor đã giảm đến 45nm.1: Dự báo các thế hệ công nghệ trích từ SIA’s ITRS [6] Năm 1999 2002 2005 2008 2011 2014 Thế hệ công nghệ 0,18 0,13 0,10 0,07 0,05 0,035 (µm) Độ dày lớp oxide 1,9-2,5 1,5-1,9 1,0-1,5 0,8-1,2 0,6-0,8 0,5-0,6 cổng (nm) Thế nguồn nuôi 1,5-1,8 1,2-1,5 0,9-1,2 0,6-0,9 0,5-0,6 0,3-0,6 (V) Đường kính nền 200 300 300 300 300 450 (mm) Mật độ transistor lôgic của MPU 6,6M 18M 44M 109M 269M 664M (cm- 2) Kích thước linh kiện cứ nhỏ đi mãi khi đạt đến thang nanomet như vậy thì bản thân linh kiện và mạch tích hợp gặp phải những vấn đề: - Kích thước linh kiện càng nhỏ thì việc chế tạo càng đòi hỏi tinh vi, chính xác và như vậy rất đắt tiền. Thực tế cho thấy trong thời gian qua, khi số linh kiện trên một chip điện tử cứ 18 tháng tăng gấp đôi thì giá thành của một nhà máy chế tạo chip cũng tăng lên theo hàm mũ: cứ 3 năm tăng lên gấp đôi. Tiền bán chip không bù lại được chi phí chế tạo dẫn đến bế tắc về kinh tế. - Về mặt kỹ thuật, khi kích thước linh kiện điện tử như transistor giảm đến một mức quá nhỏ nào đó thì bản thân linh kiện và mạch tích hợp gặp những vấn đề như: điện trường cao đánh thủng thác lũ tràn dòng làm hỏng luỹ tuyến linh kiện, tiêu tán nhiệt, vùng nghèo co lại dẫn đến xuyên hầm theo 6 z cơ học lượng tử, các hiệu ứng lượng tử thể hiện mạnh, lớp oxide mỏng dưới cổng làm điện tử rò rỉ từ điện cực cổng đến điện cực máng, … linh kiện sẽ không làm việc như cũ được nữa.

Khó khăn này của công nghệ vi điện tử là không thể vượt qua về mặt nguyên tắc. Việc khai thác hiệu ứng lượng tử trong vận chuyển hạt tải điện đang mở ra hướng phát triển mới cho các linh kiện điện tử kích thước nanomet. LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANO Khi kích thước linh kiện điện tử đạt đến thang nanomet hay thang phân tử thì các tính chất của chất bán dẫn khối được thay thế bởi các tính chất của cơ học lượng tử. Những tính chất kèm theo các chất bán dẫn pha tạp ít ảnh hưởng đến hoạt động truyền tải hạt mang điện trong linh kiện, những hiệu ứng của cơ học lượng tử như lượng tử hoá năng lượng và hiệu ứng đường hầm trở nên có ý nghĩa.

Đây cũng chính là ưu điểm nổi bật cho việc khai thác linh kiện điện tử mới với nguyên tắc hoạt động hoàn toàn khác dựa trên nền tảng cơ học lượng tử [3]. Do nhu cầu tăng mật độ linh kiện trên một chip điện tử trong tương lai những nhà nghiên cứu đã không ngừng đưa ra những mô hình lý thuyết chuẩn nhằm tạo nên nền tảng để nghiên cứu sâu linh kiện điện tử mới. Một trong các thuyết chuẩn làm nền cho mô hình phân tích linh kiện điện tử thang nanomet hay thang phân tử sau này đó là thuyết chính thống “Orthodox Theory”.3: Phân loại linh kiện điện tử có kích thước nanomet. Thuyết chính thống được đề xuất bởi Kulik và Shekhter, họ đã đưa ra một quy luật đồng nhất đơn giản nhưng rất hiệu quả trong việc khai thác linh kiện điện tử ở thang nanomet hoạt động dựa vào những hiệu ứng cơ học lượng tử.

Khắc phục những trở ngại phát sinh trong quá trình thu nhỏ kích thước linh kiện điện tử bán dẫn khối, một số nghiên cứu gần đây đã đưa ra nhiều mô hình linh kiện thang nanomet có khả năng thay thế cho linh kiện CMOS trong thiết kế vi mạch như: - Tiếp tục con đường vật lý chất rắn dùng các vật liệu bán dẫn làm các linh kiện hoạt động theo những nguyên lý mới, dựa theo hiệu ứng lượng tử để 8 z đạt đến kích thước nano. Hiện nay, bắt đầu xuất hiện các linh kiện như: Chấm lượng tử (Quantum Dot – QD), transistor đơn điện tử (Single Electron Transistor – SET), linh kiện đường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Device – RTD), có thể làm linh kiện lai giữa vi điện tử và điện tử nano là transistor đường hầm cộng hưởng (Resonant Tunneling Transistor – RTT) gồm transistor hiệu ứng trường FET ghép với nhiều linh kiện đường hầm cộng hưởng RTD. Hoặc cũng theo con đường của vật lý chất rắn nhưng chuyển sang điều khiển spin của điện tử bằng điện trường: Spin điện tử học. - Dùng phân tử để làm linh kiện, gọi là điện tử học kích thước phân tử (Molecular Scale Electronics) đại điện là transistor phân tử (Molecular transistors – MTs).

Cũng là kích thước nano, cũng là tính chất lượng tử nhưng thuộc thế giới phân tử, có nhiều đặc thù mà thế giới vật rắn không có [3]. Điện tử phân tử là cách tiếp cận tương đối mới có thể thay đổi cả nguyên tắc hoạt động lẫn vật liệu được sử dụng trong linh kiện điện tử phân tử. Hai thách thức có ý nghĩa là phải chế tạo ra các cấu trúc phân tử hoạt động giống như chuyển mạch điện, như diode hay transistor và phải lắp ráp các phân tử này thành những cấu trúc mở rộng chính xác với độ tin cậy cao. HOẠT ĐỘNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN TỬ TRONG CÁC HỆ THỐNG THANG NANOMET Đối với các hệ vĩ mô độ dẫn điện G tuân theo định luật Ohm.

Xét vật dẫn dạng tấm chữ nhật có độ dẫn điện G tỉ lệ thuận với bề rộng W và tỉ lệ nghịch với bề dài L của vật dẫn, được biểu diễn theo công thức sau: σW G = 1.1 L Với σ : dẫn suất của vật dẫn được đo bằng mật độ hạt mang điện và đường dẫn tự do trung bình [7, 15]. Nếu kích thước của hệ bị thu nhỏ cỡ bước sóng de Broglie, các quy luật của cơ học lượng tử bắt đầu xuất hiện làm thay đổi hầu hết các tính chất điện tử của hệ. Khi vật dẫn có kích thước ở thang nanomet hay thang phân tử thì chuyển động của điện tử không còn tuân theo định luật Ohm [15]. Một số nguyên nhân 9 z sau cho thấy định luật Ohm không còn đúng cho những vật dẫn kích thước cực kỳ nhỏ: - Kích thước vật dẫn nhỏ hơn đường dẫn tự do trung bình.

Kết quả quá trình truyền tải điện tử ở chế độ đạn đạo không bị tán xạ như mô tả trong định luật Ohm. - Sự tiếp xúc giữa các điện cực lớn và vùng dẫn nhỏ trong linh kiện thang nanomet ảnh hưởng rất nhiều tới độ dẫn G. Do đó, vấn đề đặt ra là cần phải khảo sát sự vận chuyển của điện tử qua các tiếp xúc là cực kỳ quan trọng. - Vật dẫn thang nanomet có năng lượng tích điện đáng kể so với năng lượng của hệ và phổ năng lượng kích thích bị lượng tử chịu ảnh hưởng rất nhiều vào nhiệt độ.

Vấn đề nghiên cứu hoạt động truyền tải điện tử trong các vật dẫn kích thước thang nanomet hiện đang được quan tâm. Khi bức màn này được mở ra nó sẽ đóng góp cho sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đặc biệt ứng dụng trong lĩnh vực thiết kế vi mạch điện tử. Trong những năm gần đây rất nhiều nhà khoa học đã tiến hành phân tích hoạt động truyền tải điện tử dựa trên cơ sở vật lý chất rắn kết hợp với cơ học lượng tử. Hiện có nhiều hệ vi mô được đưa vào nghiên cứu như cấu trúc thang nanomet ở thể rắn cũng như cấu trúc nano hóa học như carbon nanotube và tinh thể nano.

Trong phần sau ta sẽ tập trung tìm hiểu về linh kiện điện tử kích thước thang nanomet đó là linh kiện transistor đơn điện tử (SET – Single Electron Transistor). SET có kích thước thang nanomet là linh kiện đơn điện tử tương lai sẽ thay thế MOSFET trong thiết kế vi mạch. SET là linh kiện đơn điện tử có khả năng điều khiển chuyển động của từng điện tử, hoạt động dựa trên hiệu ứng đường hầm, kích thước thang nanomet, tốc độ rất nhanh và tiêu tán công suất cực kỳ thấp.