transistor phân tử

1 12/13 TS. Trần Tiến Phức 1 TRANSISTOR PHÂN TỬ VÕNG BENZENE LIÊN KẾT 1-4 VỚI CÁC NGUYÊN TỐ THUỘC NHÓM HALOGEN C 6 H 4 F 2 , C 6 H 4 Cl 2 , C 6 H 4 Br 2 , C 6 H 4 I 2, TRẦN TIẾN PHỨC 12/13 TS. Trần Tiến Phức 2 TRANSISTOR PHÂN TỬ VÕNG BENZENE LIÊN KẾT 1-4 VỚI CÁC NGUYÊN TỐ THUỘC NHÓM HALOGEN (C 6 H 4 F 2 , C 6 H 4 Cl 2 , C 6 H 4 Br 2 , C 6 H 4 I 2 ) TRẦN TIẾN PHỨC 2 12/13 TS. Trần Tiến Phức 3 NỘI DUNG 1. Tổng quan a) Linh kiện điện tử nanô b) Linh kiện điện tử phân tử 2. Cơ sở lý thuyết của transistor phân tử 3. Các tham số của vật liệu làm kênh dẫn 4. Thuật toán tính dòng I DS 5. Các kết quả 6. Phần mềm và chƣơng trình mô phỏng a) CAChe b) Mô phỏng transistor phân tử trong MATLAB 12/13 TS. Trần Tiến Phức 4 Năng lƣợng chuyển mạch và kích thƣớc linh kiện giảm theo thời gian 3 Semiconductor manufacturing processes 10µm – 1971 12/13 TS. Trần Tiến Phức 5 3 µm – 1975 1.5 µm – 1982 1 µm – 1985 800 nm – 1989 600 nm – 1994 350 nm – 1995 250 nm – 1997 180 nm – 1999 130 nm – 2002 90 nm – 2004 65 nm – 2006 45 nm – 2008 32 nm – 2010 22 nm – 2012 14 nm – 2014 10 nm – est. 2015 7 nm – est. 2017 5 nm – est. 2019 12/13 TS. Trần Tiến Phức 6 Emerging research devices – demonstrated and projected parameters Parameters are used: Proj Projected (2020), Demo – Demonstrated (2005). Op. Temp.– Operational Temperature; RT- Room Temperature. (link) 4 Technology • In 2005, Toshiba demonstrated 15 nm gate length and 10 nm fin width using a sidewall spacer process It has been suggested that for the 16 nm node, a logic transistor would have a gate length of about 5 nm • In December 2007, Toshiba demonstrated a prototype memory unit that uses 15 nanometer thin lines. • In December 2009, National Nano Device Laboratories, owned by the Taiwanese government, produced a 16 nm SRAM chip • In September 2011, Hynix announced the development of 15 nm NAND cells • In December 2012, Samsung Electronics taped out a 14 nm chip. [15] • In September 2013, Intel demonstrated an Ultrabook laptop that uses a 14 nm Broadwell CPU and CEO said "[CPU] will be shipping by the end of this year." [16] However, he later announced that due to yield problem he called a “defect density issue”, shipment will be delayed until Q1 2014. [17] 12/13 TS. Trần Tiến Phức 7 12/13 TS. Trần Tiến Phức 9 Motivation Our enthusiasm for Nano- technology stems from its potential value in addressing Deep Space technology needs:  Autonomous navigation and maneuvering,  Miniature in-situ sensors,  Radiation and temperature tolerant electronics. Nano-technology will provide essential computing and sensing capabilities. Distributed Sensors Penetrators Integrated Inflatable Sailcraft Miniaturized- Rovers Minaturized- Spacecraft Hydrobot Atmospheric Probes Landing on Small Bodies 5 12/13 TS. Trần Tiến Phức 11 Phân loại linh kiện điện tử nanơ 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) Linh kiện điện tử nanô bán dẫn 12/13 TS. Trần Tiến Phức 12 Mơ phỏng nanoFET 2D trên trang web https://www.nanohub.org Tại Hội nghị Vật lý Việt-Đức ở Nha Trang tháng 3 năm 2008 có báo cáo của Vu Ngoc Tuoc và Dragica K. Vasileska về mơ phỏng 3D với cấu trúc tƣơng tự (Top down) Nghiên cứu giảm kích thƣớc bán dẫn khối 6 12/13 TS. Trần Tiến Phức 13 Ở thang nano, tham số năng lƣợng phụ thuộc số nguyên tử trong khối vật liệu Khối Si đƣờng kính 6 A o chứa 47 nguyên tử. LUMO = -7,89 eV; HOMO = -8,41eV Độ rộng vùng cấm: 0,52 eV Khối Si đƣờng kính 7 A o chứa 83 nguyên tử. LUMO = -8,56 eV; HOMO = -8,60eV Độ rộng vùng cấm: 0,03 eV 12/13 TS. Trần Tiến Phức 14 HIỆU ỨNG ĐƢỜNG HẦM TRONG CHO DÂY PHÂN TỬ Các nghiên cứu của J.M.Tour vào những năm 1990 7 12/13 TS. Trần Tiến Phức 15 Design for a memory cell built from molecular electronic devices Greg Y. Tseng và James C. Ellenbogen công bố trên http://www.mitre.org/technology/nanotech vào năm 1999 Dây phân tử để truyền tín hiệu. Các vòng benzene kết hợp với nhóm chức SH hay CH tạo nên transistor và RTD 12/13 TS. Trần Tiến Phức 16 Công trình của nhóm tác giả công bố trên tạp chí IEEE năm 2002 • Kênh dẫn là phân tử phenyl dithiol (PDT) C 6 H 4 S 2 • Phƣơng pháp: NEGF (the Non- Equilibrium Green’s Function) Luận án tiến sĩ 2003 8 12/13 TS. Trần Tiến Phức 17 12/13 TS. Trần Tiến Phức 18 9 12/13 TS. Trần Tiến Phức 19 12/13 TS. Trần Tiến Phức 20 10 12/13 TS. Trần Tiến Phức 21 Phác thảo transistor trƣờng có kích thƣớc ở thang nanômét trong nghiên cứu này Kênh dẫn là phân tử hay dây phân tử có mức năng lƣợng phân thành ba vùng. Vùng hóa trị, (còn gọi là vùng đầy). Mức năng lƣợng cao nhất trong vùng hóa trị viết tắt là HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital). Vùng cấm có độ rộng đủ để các hiệu ứng nhiệt và tác động nhiễu không thể làm điện tử dễ dàng vƣợt qua. Vùng dẫn ở trạng thái ban đầu chƣa có điện tử chiếm nên các mức năng lƣợng còn trống (còn gọi là vùng trống). Mức năng lƣợng thấp nhất trong vùng dẫn viết tắt là LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital). 12/13 TS. Trần Tiến Phức 22 TRẠNG THÁI CÂN BẰNG BAN ĐẦU CỦA HỆ • Mức thế điện hóa của hai điện cực D và S ở vào khoảng giữa của vùng cấm. V D = 0 nên thế điện hóa µ 1 = µ 2 = µ       TkE Ef B /exp1 1 0     [...]... Phức 49 23 Tham số của phân tử cần thiết để tính IDS 12/13 TS Trần Tiến Phức 51 Kênh phân tử C6H4O2 VÀ C6H4S2 phân cực âm, bốn kênh phân tử còn lại phân cực dƣơng 12/13 TS Trần Tiến Phức 52 24 Cơng thức cấu tạo, mức năng lƣợng, cơng thức phân tử của vật liệu làm kênh dẫn UG > 0 UG < 0 12/13 TS Trần Tiến Phức 53 Dải dẫn và số mức năng lƣợng trong vùng dẫn ảnh hƣởng đến chất lƣợng transistor • Số mức năng... thơng qua Slider d Kích thƣớc rộng W của phân tử thay đổi sáu mức theo đúng nhƣ mức lƣợng tử hóa đo đƣợc từ mơ phỏng hóa học CAChe e Kích thƣớc dài L của phân tử thay đổi sáu mức theo đúng nhƣ mức lƣợng tử hóa đo đƣợc từ mơ phỏng hóa học CAChe 12/13 TS Trần Tiến Phức 74 35 KẾT LUẬN (4) 4 Tác giả đã mơ phỏng đƣợc loại Transistor kênh phân tử mới a Kênh phân tử là vòng benzene liên kết 1- 4 với các ngun... đơn TS Trần Tiến Phức 12/13 75 KẾT LUẬN (5-6) 5 Trong bốn loại transistor đã xét, khả năng cung cấp cơng suất lớn nhất thuộc về transistor sử dụng kênh phân tử C6H4I2; thấp hơn tiếp theo là transistor sử dụng kênh phân tử C6H4Br2; thấp nhất là transistor sử dụng kênh phân tử C6H4Cl2 6 Khảo sát hiệu ứng nhiệt cho thấy: a Khả năng ứng dụng các transistor này ở dải nhiệt độ rộng hơn so với bán dẫn Si hiện... Tiến Phức 65 Hiệu ứng thay đổi kích thƣớc dài của kênh phân tử ảnh hƣởng lên đặc trƣng I-V 0,8405; 0,8716; 0,9027; 0,9339; 0,9650; 0,9962; 1,0273 (Đơn vị nm) 12/13 • Kết quả đo kích thƣớc phân tử trong CAChe cho thấy có sự lƣợng tử hóa • Sự lƣợng tử hóa kích thƣớc dài của phân tử làm kênh dẫn khơng làm thay đổi đặc trƣng I-V • Phù hợp với Thuyết lƣợng tử: Độ dẫn cực đại trên một mức năng lƣợng là một hằng... rộng của kênh phân tử • Sự lƣợng tử hóa kích thƣớc rộng của phân tử làm kênh dẫn làm thay đổi giá trị đặc trƣng I-V (đặc biệt là vùng bão hòa) • Thay đổi kích thƣớc rộng khơng làm thay đổi dạng đƣờng đặc trƣng nên transistor vẫn có giá trị ứng 0,6026; 0,6249; 0,6472; 0,6695 dụng 0,6918; 0,7142; 0,7365 (nanơmét) 12/13 TS Trần Tiến Phức 67 Giải thích ảnh hƣởng của kích thƣớc kênh phân tử lên đặc trƣng... 10-34 J s 1,055  10-34 J Ћ = h / 2π o hằng số điện mơi của chân khơng 8,854  10-12 F/m G0 = q 2 / h lƣợng tử độ dẫn 38,7  10-6 S = 1 / (25,8  103 Ω) 12/13 TS Trần Tiến Phức 57 Các tham số phân tử và điều kiện ban đầu 1 Kích thƣớc dài của phân tử làm kênh dẫn L 2 Kích thƣớc rộng của phân tử làm kênh dẫn W 3 Thế cổng VG 4 Nhiệt độ T (thơng qua các Slider trong MATLAB) 12/13 TS Trần Tiến Phức 58 27... mức năng lƣợng của kênh phân tử theo hƣớng trục DS phân bố nhƣ một tấm lƣới • Thay đổi kích thƣớc dài khơng làm thay đổi số trạng thái • Tăng kích thƣớc rộng sẽ làm tăng số trạng thái và ngƣợc lại • Số trạng thái điện tử chiếm có ý nghĩa quyết định giá trị dòng điện truyền qua theo hƣớng trục DS 12/13 TS Trần Tiến Phức 68 32 Giao diện chính 12/13 TS Trần Tiến Phức 69 Kênh phân tử C6H4F2 12/13 TS Trần... TS Trần Tiến Phức 37 17 PHÂN TỬ VÕNG BENZENE VÀ CÁC DẠNG LIÊN KẾT VỚI NGUN TỐ NHĨM HALOGEN 12/13 TS Trần Tiến Phức 38 Xác định các tham số của phân tử bằng CAChe-V 7.5.0.85 12/13 TS Trần Tiến Phức 39 18 Kiểm tra điều kiện 3 cặp liên kết gép đơi về mỗi phía 12/13 TS Trần Tiến Phức 40 Liên kết với các ngun tử Vàng (chiếu ngang) 12/13 TS Trần Tiến Phức 41 19 Liên kết với các ngun tử Vàng (chiếu đứng) 12/13... CD = 0,05 CG D0= mcWL/πħ2 N0=2*dE*sum(D.*f0); %Khi biết dE thì phép tích phân thay bằng phép lấy tổng trong Matlab 12/13 TS Trần Tiến Phức 59 Tính thế Laplace của kênh dẫn Khi các tham số đo kích thƣớc phân tử đƣợc xác định ở một mức lƣợng tử nào đó thì các tụ điện CS; CD; CG và CE là hồn tồn xác định Thế Laplace UL của kênh phân tử là hàm của các biến VG và VD UL đƣợc tính theo biểu thức (1.34) UL ... vận chuyển điện tích nhƣ hình b) 12/13 TS Trần Tiến Phức 25 KÊNH DẪN CẢM ỨNG LOẠI N CĨ PHÂN CỰC DƢƠNG Hình 1.34: Phân cực cho MOSFET kênh cảm ứng loại n trong mạch khuếch đại 12/13 TS Trần Tiến Phức 26 12 SO SÁNH NGUN LÝ LÀM VIỆC CÁC LOẠI TRANSISTOR T LƢỠNG CỰC FET Dòng khuyếch tán Độ rộng kênh dẫn MOSFET T PHÂN TỬ Điều khiển số mức năng lƣợng trong vùng có sự chênh lệch thế điện hóa giữa D và S Mật . 11 Phân loại linh kiện điện tử nanơ 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. Trần Tiến Phức 3 NỘI DUNG 1. Tổng quan a) Linh kiện điện tử nanô b) Linh kiện điện tử phân tử 2. Cơ sở lý thuyết của transistor phân tử 3. Các tham số của vật liệu làm kênh dẫn 4. Thuật toán. 20 10 12/13 TS. Trần Tiến Phức 21 Phác thảo transistor trƣờng có kích thƣớc ở thang nanômét trong nghiên cứu này Kênh dẫn là phân tử hay dây phân tử có mức năng lƣợng phân thành ba vùng. Vùng hóa trị,