mô phỏng đặc tuyến volt – ampere của transistor trường phân tử sử dụng phương pháp hàm green không cân bằng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG MƠ PHỎNG ĐẶC TUYẾN VOLT - AMPERE CỦA TRANSISTOR TRƯỜNG PHÂN TỬ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP HÀM GREEN KHƠNG CÂN BẰNG S K C 0 9 MÃ SỐ: T2010 - 08 S KC 0 2 Tp Hồ Chí Minh, 2010 ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG MÔ PHỎNG ĐẶC TUYẾN VOLT – AMPERE CỦA TRANSISTOR TRƯỜNG PHÂN TỬ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP HÀM GREEN KHÔNG CÂN BẰNG MÃ SỐ: T2010 - Chủ nhiệm: ThS Lê Hoàng Minh Thành viên: ThS Huỳnh Hoàng Trung ThS Dương Thò Cẩm Tú ThS Vũ Thò Ngọc Thu TP HỒ CHÍ MINH – 2010 MỤC LỤC Tóm tắt kết nghiên cứu Mở đầu Chương 1: Transistor trường phân tử vòng Benzene 1.1 Linh kiện điện tử Nano 1.2 Điện tử học phân tử 1.3 Những nghiên cứu liên quan đến đề tài 1.4 Transistor trường phân tử vòng Benzene 13 Chương 2: Kết mô Transistor trường phân tử vòng Benzene 23 2.1 Xây dựng mẫu Transistor trường phân tử 23 2.2 Dùng phần mềm MATLAB mô đặc trưng dòng - transistor trường phân tử 25 2.3 Mô đặc trưng dòng - transistor trường phân tử 26 2.4 Nhận xét đặc trưng dòng - transistor trường phân tử mô 29 2.5 Ảnh hưởng kích thước phân tử Benzene dùng làm kênh dẫn 33 2.6 Ảnh hưởng nhiệt độ lên họ đặc trưng dòng - transistor trường phân tử 36 2.7 Biểu thức giải tích đặc trưng ID = f(VDS,VGS) 36 Kết luận 42 Tài liệu tham khảo 44 Phụ lục: Hợp đồng triển khai nhiệm vụ khoa học công nghệ cấp trường TĨM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Mô Đặc tuyến Volt – Ampere Transistor trường phân tử sử dụng Phương pháp hàm Green không cân Mã số: T2010 – Chủ nhiệm: ThS Lê Hoàng Minh Thành viên: ThS Huỳnh Hoàng Trung ThS Dương Thò Cẩm Tú ThS Vũ Thò Ngọc Thu Cơ quan chủ trì đề tài: ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh Thời gian thực hiện: từ 03/2010 đến 11/2010 Mục tiêu a Tìm hiểu xây dựng mô hình cấu trúc linh kiện điện tử nano Transistor phân tử vòng Benzene b Xây dựng mô hình toán học tính dòng - xuyên qua linh kiện c Sử dụng phần mềm MATLAB mô đặc trưng dòng - d Dựa vào kết mô xem xét ảnh hưởng tham số kích thước, nhiệt độ, điều khiển cực cổng lên đặc trưng dòng - e Biểu thức giải tích đặc trưng dòng - ID = f(VDS,VGS) Nội dung nghiên cứu a Đònh hướng nghiên cứu xác đònh cấu trúc linh kiện b Xây dựng mô hình toán học c Lập trình mô MATLAB d Chạy thử, kiểm tra đánh giá chương trình mô e Đưa biểu thức giải tích đặc trưng dòng - Kết đạt Kết đề tài (khi nghiệm thu) mục tiêu mục nội dụng nghiên cứu mục Điểm a Sử dụng lý thuyết hàm Green trạng thái không cân (The Non-Equilibrium Green’s Function - NEGF) lý thuyết hàm mật độ (Density Functional Theory – DFT) xây dựng mô hình toán học tính dòng qua transistor phân tử vòng Benzene b Đưa biểu thức giải tích đặc trưng dòng - ID = f(VDS,VGS) c So sánh đặc trưng dòng - transistor phân tử với MOSFET Đòa ứng dụng a Bộ môn Vật lý, Khoa Khoa học Cơ bản, ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM b Bộ môn Kỹ thuật Điện tử, Khoa Điện - Điện tử, ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM c Bộ môn Điện tử, Khoa Điện tử - Viễn thông, ĐH Khoa học Tự nhiên Tp HCM MỞ ĐẦU Trong năm qua với phát triển vượt bậc khoa học công nghệ giới mang đến cho nhân loại kết đáng trân trọng Sự đời khoa học công nghệ nano quy luật tất yếu tiến triển không ngừng khoa học - kỹ thuật thời điểm toàn giới Mặc dù, công nghệ nano phát triển mạnh nước tiên tiến giới Anh, Pháp, Nhật, Mỹ, Hà Lan, … nước ta công nghệ Khoa học công nghệ nano tương lai đóng vai trò quan trọng lónh vực vật lý, hoá học, vật liệu mới, điện tử, y học, khí chế tạo, … Theo phát triển khoa học đời sống ngày đòi hỏi thiết bò điện tử lưu trữ xử lý thông tin cực nhanh, kích thước siêu nhỏ, tiêu tán công suất cực thấp, hiệu suất sử dụng lượng cao, hoạt động ổn đònh dải nhiệt độ rộng môi trường có áp lực lớn hay chân không Công nghệ vi điện tử (micro-electronics) phát triển đến đỉnh cao nảy sinh nhiều vấn đề cần phải giải Đó động lực thúc đẩy mạnh mẽ nghiên cứu linh kiện điện tử kích thước nanomet: Nano-electronics [1] Nano-electronics lónh vực nghiên cứu mạnh hứa hẹn nhiều ứng dụng tương lai gần Điện tử học phân tử (Molecular scale electronics) lónh vực nano-electronics, lónh vực nghiên cứu tích cực cho công nghệ thông tin tương lai cách tiếp cận thay đổi nguyên tắc hoạt động lẫn vật liệu sử dụng linh kiện điện tử Động cho thay đổi phân tử có cấu trúc thang nanomet xuất tự nhiên, không giống cấu trúc nano dựa sở vật liệu bán dẫn Các phân tử làm giống xác, giá thành rẻ, chế tạo dễ dàng đưa vào sản xuất công nghiệp đại trà máy tính điện tử nano có mật độ cực cao [2] Hai thách thức có ý nghóa phải chế tạo cấu trúc phân tử hoạt động giống chuyển mạch điện, diode hay transistor phải lắp ráp phân tử thành cấu trúc mở rộng xác với độ tin cậy cao [1], [2] Những điều trông đợi để thực giới hạn vật lý theo quy luật Moore, giải pháp cho vấn đề làm nhỏ kích thước mạch tích hợp dựa tảng Silic truyền thống (micro-electronics), chí nhỏ [2], [4] Sự chế tạo yếu tố điện tử tích cực với phân tử xem trọng tâm thực qua thực nghiệm phòng thí nghiệm lớn giới năm gần Tuy nhiên, chế vận chuyển điện tử cho hầu hết linh kiện điện tử phân tử tranh luận Mô hình lý thuyết dựa nguyên tắc, cách thức hoạt động có vai trò quan trọng lónh vực nghiên cứu [4], [5] Transistor phân tử (Molecular transistor) ứng viên đầy hứa hẹn để thay Transistor trường MOSFET tương lai kích thước cực nhỏ (khoảng 10nm), tiệu thụ công suất thấp tốc độ xử lý cao [1], [3], [4], [5], [6] Trước viễn cảnh micro-electronics xét thấy tính khả thi Transistor phân tử, chọn đề tài ‚Mô Đặc tuyến Volt – Ampere Transistor trường phân tử sử dụng Phương pháp hàm Green không cân bằng‛ Trong đề tài này, xây dựng mô hình cấu trúc vật lý, xây dựng mô hình toán học tính dòng qua Transistor phân tử sử dụng phương pháp hàm Green không cân cuối đặc trưng dòng - Transistor phân tử Chương trình mô sử dụng GUI MatLab Chúng nhận thấy khác đặc trưng dòng - Transistor phân tử MOSFET truyền thống Thêm vào đó, ảnh hưởng vật liệu, nhiệt độ điện thiên áp đến đặc trưng dòng - Transistor phân tử khảo sát Nhờ GUI MatLab, kết mô thể cách trực quan Sau cùng, tác giả đưa biểu thức giải tích đặc trưng dòng - ID = f(VDS) transistor phân tử Trong đề tài này, muốn khẳng đònh ‚mô phỏng‛ công cụ quan trọng giúp nhà khoa học có khả rút ngắn thời gian giảm chi phí nghiên cứu cách đáng kể Tuy cố gắng trình thực đề tài, xong không tránh khỏi thiếu sót, tác giả mong ý kiến đóng góp quý báu quý thầy giáo, cô giáo đồng nghiệp bạn đọc để tác giả nghiên cứu sâu hơn, xa lónh vực công nghệ linh kiện điện tử nano CHƯƠNG 1: TRANSISTOR TRƯỜNG PHÂN TỬ VÒNG BENZENE 1.1 LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANO Khoa học đời sống đòi hỏi có thiết bò điện tử siêu nhỏ, tiêu tán công suất thấp, hiệu suất sử dụng lượng cao, hoạt động ổn đònh dải nhiệt độ rộng, môi trường có áp lực lớn hay chân không Đó động lực thúc đẩy mạnh mẽ nghiên cứu linh kiện điện tử Hình 1.1: Quy luật Moore cho thấy số transistor chip mạch vi điện tử tích hợp 18 tháng tăng lên gấp đôi Từ năm 1960 kỷ XX có công nghệ trội, ảnh hưởng to lớn đến nhiều ngành công nghệ khác, làm thay đổi đời sống xã hội, công nghệ vi điện tử Nhờ có công nghệ vi điện tử có công nghệ thông tin, công nghệ thông tin làm cho xã hội trở thành xã hội thông tin, xuất kinh tế tri thức, xu toàn cầu hoá [1] Những phát triển nhanh chóng xã hội liên quan đến phát triển công nghệ vi điện tử, công nghệ từ gần bốn mươi năm qua phát triển theo hàm mũ Thật vậy, từ cuối năm 1960, Gordon Moore người đồng sáng lập hãng Intel (Mỹ) đưa nhận xét, sau người ta gọi quy luật Moore: Cứ 18 tháng số transistor chip mạch vi điện tử tăng lên gấp đôi Cho đến nay, quy luật Moore thực tế nghiệm Số transistor tích hợp chip tăng nhanh vậy, tất nhiên đôi với việc diện tích cần cho transistor chip giảm theo hàm mũ [1, 2] Hình 1.2: Số transistor chip mạch vi điện tử tăng lên đôi với kích thước transistor giảm Như vậy, theo quy luật Moore diễn biến thực tế công nghệ vi điện tử, kích thước linh kiện mạch tích hợp đến nhỏ micromet theo quy luật Moore đến năm 2010, kích thước linh kiện vài phần trăm micromet [1] Theo dự báo Hiệp hội Công nghệ bán dẫn quốc tế (ITRS – SIA’s International Technology Roadmap for Semiconductors) kích thước transistor giảm xuống 100 nm (cỡ 30 - 50 nm), chiều dài điện cực cổng G MOSFET 10nm đến năm 2014 Thực tế kích thước transistor giảm đến 45 nm [3] Con đường từ vi điện tử đến điện tử nano đường tiếp tục làm linh kiện nhỏ dần, từ micromet đến nanomet mà đường cách mạng: tìm linh kiện làm việc theo nguyên tắc vật lý kích thước linh kiện nhỏ, tìm công nghệ chế tạo phải tích hợp nhiều linh kiện chip [1] Hình 1.3: Phân loại linh kiện điện tử có kích thước nanomet Xu hướng có hai cách sau:  Tiếp tục đường vật lý chất rắn dùng vật liệu bán dẫn làm linh kiện hoạt động theo nguyên lý mới, dựa theo hiệu ứng lượng tử để đạt đến kích thước nano Hiện nay, bắt đầu xuất 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), làm linh kiện lai vi điện tử điện tử nano transistor đường hầm cộn g hưởng (Resonant Tunneling Transistor - RTT) gồm transistor hiệu ứng trường FET ghép với nhiều linh kiện đường hầm cộng hưởng RTD Hoặc theo đường vật lý chất rắn chuyển sang điều khiển spin điện tử điện trường: Spin điện tử học  Dùng phân tử để làm linh kiện, gọi điện tử học kích thước phân tử (Molecular Scale Electronics) Cũng kích thước nano, tính chất lượng tử thuộc giới phân tử, có nhiều đặc thù mà giới vật rắn Điện tử phân tử cách tiếp cận tương đối thay đổi nguyên tắc hoạt động lẫn vật liệu sử dụng linh kiện điện tử phân tử [2] Uscf = U0(N – N0) UL điện Paplace, Uscf điện self - consistent U0 lượng điện tích điện tử đơn U  q2 với CE = CG + CS + CD CE D(E – U) D(E) 1 2 1 (1) 2 (4) 2.4.2 Những đặc trưng dòng máng ID = f(VGS) Dựa vào kết mô đặc trưng dòng - IDS theo VGS với điện áp vào điện cực máng VDS = 0,5 V không đổi hình 2.8 sau: -6 x 10 Id-Vgs characteristics of MTs at 300K Vds = 0.50 V Vds = 0.05 V 0.9 0.8 Id Current ( A ) 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 VT = 0.2V 0.1 0 0.2 0.4 0.6 Vgs Voltage ( V ) 0.8 Hình 2.8: Họ đặc trưng ID = f (VGS) với VDS không đổi, điện điện cực máng VDS = 0,50 V (đồ thò màu đỏ), VDS = 0,05 V (đồ thò màu xanh cây) nhiệt độ 300K, đònh dạng *.m file Tại gốc toạ độ, với điện áp vào điện cực máng VDS  V, điện áp vào điện cực cổng VGS = 0V mức lượng vùng dẫn kênh dẫn phân tử nằm vùng giới hạn hai mức lượng Fermi tiếp xúc điện cực nguồn S điện cực máng D 1 2 nên dòng điện tử chảy kênh dẫn phân tử: dòng điện máng mạch ID = Điện áp vào điện cực cổng G VGS  0V thấp điện ngưỡng VT  0,2 V, làm dòch chuyển mức lượng vùng dẫn kênh dẫn phân tử giao với vùng giới hạn hai mức lượng Fermi 1 2 tiếp xúc điện cực nguồn S điện cực máng D số lượng mức lượng vùng dẫn vào vùng giới hạn thấp, transistor trạng thái ‚off‛ dòng điện máng ID nhỏ Dòng điện máng ID tồn VGS  VT gọi dòng ngưỡng Khi điện áp vào điện cực cổng VGS vượt điện ngưỡng VT, làm tăng nhanh số mức vùng dẫn vào vùng giới hạn hai mức lượng Fermi 1 2, transistor trạng thái ‚on‛, dòng điện máng ID tăng lên với tăng lên theo điện điện cực cổng VGS 2.5 ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC PHÂN TỬ BENZENE DÙNG LÀM KÊNH DẪN Xem xét ảnh hưởng kích thước phân tử Benzene lên đặc trưng dòng - transistor phân tử, thực việc lựa chọn phân tử vòng Benzene khác có kích thước dài, kích thước rộng khác làm kênh dẫn phân tử Điện dung tụ điện điện cực cổng CG tạo kênh dẫn phân tử lớp cách điện Silicon dioxide SiO2 tính từ kích thước tụ xem có dạng hình chữ nhật với chiều dài L chiều rộng W kích thước đặc trưng phân tử vòng Benzene sử dụng làm kênh dẫn: CG  0 r W L tox (2.4) Trong đó: tox = 1,5 nm độ dày lớp điện môi cách ly cực cổng G với kênh dẫn phân tử, 0 số điện môi chân không, r số điện môi tỉ đối lớp cách điện Silicon dioxide SiO2 có r = 3,9 [25] Điện Laplace UL phụ thuộc điện dung tụ điện theo biểu thức: UL  CG  qVGS   CD  qVDS  CE CE (2.5) điện self - consistent là: U  U L  U N  N0  (2.5) q2 Trong đó: U  lượng điện tích điện tử đơn, CE = CG + CS + CD CE 2.5.1 Ảnh hưởng đến đặc trưng dòng máng ID = f(VDS) Khi kích thước dài thay đổi phân tử vòng Benzene khác làm kênh dẫn đường đặc trưng dòng - gần không thay đổi độ dẫn cực đại mức lượng tính theo biểu thức: G0 nên: G0  I VDS  q2   q2  4 1    2  38,7 S   q2  1 = 2 (2.6) 25,8k1 Như vậy, sai số chế tạo kích thước dài kênh dẫn rỗng với hai điện cực máng D điện cực nguồn S trước đặt phân tử dẫn vào vò trí không quan trọng nằm khoảng sai số cho phép -7 4.5 x 10 Id-Vds characteristics of MTs at 300K 3.5 C6H4S2 C6H4I2 C6H4Br2 C6H4F2 C6H4Cl2 Id Current ( A ) 2.5 1.5 0.5 0 0.2 0.4 0.6 Vds Voltage ( V ) 0.8 Hình 2.9: Ảnh hưởng thay đổi kích thước dài L, kích thước rộng W phân tử vòng Benzene làm kênh dẫn transistor phân tử lên họ đặc trưng ID = f (VDS) với VGS không đổi, điện điện cực cổng VGS = 0,5V VGS = 0,3V nhiệt độ 300K Độ rộng kênh dẫn phân tử tăng lên đường đặc trưng ID = f(VDS) điện điện cực cổng VGS không đổi tăng lên giữ nguyên hình dạng giá trò điện dung tụ CG phụ thuộc vào độ rộng kênh dẫn phân tử Như vậy, công nghệ chế tạo transistor phân tử thực với phân tử vòng Benzene có kích thước rộng khác làm kênh dẫn có hệ số khuếch đại khác không làm thay đổi tính chất transistor Sở dó kích thước rộng kênh dẫn phân tử ảnh hưởng đến đặc trưng dòng - mức lượng có nhiều trạng thái trải theo kích thước chiều rộng W kênh dẫn phân tử 2.5.2 Ảnh hưởng đến đặc trưng dòng máng ID = f(VGS) Id-Vgs characteristics of MTs at 300K -6 1.2 x 10 Hình 2.10: Ảnh hưởng C6H4S2 C6H4I2 C6H4Br2 C6H4F2 C6H4Cl2 thay đổi kích thước dài L, kích thước rộng W phân tử Id Current ( A ) 0.8 vòng Benzene làm kênh dẫn transistor phân tử lên 0.6 họ đặc trưng ID = f (VGS) với 0.4 VDS không đổi, điện điện cực máng VDS = 0,5V 0.2 0 300K, đònh dạng *.m file 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Vgs Voltage ( V ) 0.7 0.8 0.9 Kích thước dài L kích thước rộng W phân tử vòng Benzene làm kênh dẫn thay đổi làm thay đổi điện ngưỡng VT Bảng 2.1: Thay đổi kích thước dài L, kích thước rộng W, LUMO HOMO phân tử vòng Benzene làm kênh dẫn [23] Phân tử C6H4S2 C6H4I2 C6H4Br2 C6H4F2 C6H4Cl2 Kích thước dài L (nm) 0,8460 1,0321 1,0025 0,7957 0,9340 Kích thước rộng W (nm) 0,6542 0,6637 0,6714 0,7460 0,7365 LUMO (eV) - 0,870 - 0,653 - 0,318 - 0,332 - 0,243 HOMO (eV) - 7,200 - 8,947 - 9,869 - 9,870 - 9,235 2.6 ẢNH HƯỞNG NHIỆT ĐỘ LÊN HỌ ĐẶC TRƯNG DÒNG - THẾ CỦA TRANSISTOR TRƯỜNG PHÂN TỬ Hình 2.11: Ảnh hưởng nhiệt độ lên họ đặc trưng ID = f (VDS) với VGS không đổi, điện điện cực cổng VGS từ 0,2 V đến 0,5 V (mỗi bước 0,1 V) nhiệt độ 300K (đồ thò màu đỏ) 500K (đồ thò màu xanh lam) Nhiệt độ tăng bổ sung lượng nhiệt cho điện tử làm dòch chuyển mức Fermi kênh dẫn phân tử lên cao nên đường đặc trưng nâng cao lên Hàm Fermi nâng cao lên có nhiều mức lượng kênh dẫn vào vùng giới hạn hai lượng Fermi 1 2 (1 – 2 = qVDS) tiếp xúc điện cực nguồn S điện cực máng D với kênh dẫn phân tử Chính mức lượng góp phần chủ yếu việc tạo nên dòng điện máng ID mạch 2.7 BIỂU THỨC GIẢI TÍCH CỦA ĐẶC TRƯNG ID = f(VDS,VGS) Từ đặc trưng I D  f VDS  VGS  const thể hình 2.12, điện áp vào điện cực cổng VGS thay đổi đường đặc trưng ID = f(VDS) thay đổi Vì liên kết nguyên tử bên kênh dẫn phân tử, trạng thái mức lượng mở rộng thành dải hai mức lượng Fermi 1 2 có mật độ trạng thái (density of states - DOS) D(E) cho hàm toán tử Lorentzian có trạng thái mức lượng E =  trung tâm:  2 D E   E   2   22 (2.7) Trong đó: tổng mở rộng  = 1 + 2 I Dsat  K n VGS  VT    -7 x 10 Vgs = 0.5 V 3.5 Id Current ( A ) ID   W V2   BallCG VGS  VT  VDS  DS  L   Vgs = 0.4 V 2.5 VGS  VT     1,5 1.5 Vgs = 0.3 V ID  W BallCG VGS  VT  VDS L Vgs = 0.2 V 0.5 0 0.2 0.4 0.6 Vds Voltage ( V ) 0.8 Vgs = 0.1 V1 Hình 2.12: Họ đặc trưng ID = f (VDS) với VGS không đổi Năm giá trò điện điện cực cổng VGS từ 0,1 V đến 0,5 V (mỗi bước 0,1 V) nhiệt độ 300K Vậy số điện tử N dòng điện ID cho mức lượng có tính đến hiệu ứng mở rộng:  N  dE D E     f1 E    f E  1   (2.8)  ID q  dE 2 D E   f1 E   f E     1    và:   ID  2q dE M E   f1 E   f E    (2.9) Trong đó: M E   h DE     D E  , với 1        vận 21    1   tốc mang điện tử vào bên kênh dẫn từ tiếp xúc điện cực nguồn S điện cực máng D vận tốc điện tử thoát khỏi kênh dẫn xuyên qua tiếp xúc điện cực nguồn S điện cực máng Kênh dẫn phân tử có kích thước cụ thể mật độ trạng thái DOS xác đònh sau: m* WL D E   h DE   21    nên: M E   Trong đó:   1    Vậy ta được: M E   E  Ec   2 L h m*WL 4   L 2E m*    (2.10) W 2m* E   (2.11) Tích phân Fermi – Dirac:    f E  dE  EC   e  dE EC với thay đổi biến số:    f E  dE E  1  k B T   kBT EC E  EC  kBT , được:   e   1 d  1  kBT ln  e     kBT F0 1 (2.12) Trong đó:   1  EC  kBT F0    tích phân Fermi – Dirac 1 Dòng điện máng ID:  ID  2q W 2m* E  f1 E   f E  dE  EC  dựa vào hàm tích phân Fermi – Dirac bậc ½, kết sau: ID và:    F1  i      qN D WT F1 1  F1  2   1 2d   e   i (2.13) Trong đó: T 2k BT vận tốc nhiệt điện tử (còn gọi vận tốc nhiệt  m*  Richardson), N D  m*k BT mật độ trạng thái hiệu dụng đơn vò  2 diện tích (m2) Nên số điện tử N xác đònh sau: N Ta có:       N DWL F0 1  F0 1 (2.14) CG WLVGS  VT   q N (2.15) Thay vào biểu thức (2.14), ta được: q N DW WCG VGS  VT   F0 1  F0      Phương trình (2.13) trở thành: ID            F1  1  F1   qN D WT    F1 1  F1       F1  1  qVDS k BT    F1  1 qN D ~   W T   F0  1  qVDS k BT   1   F0  1    hoặc: ID      (2.16)   Trong đó: ~T      2k BT F1 1 gọi vận tốc trung bình đỉnh rào thế,  m* F  1 CG VGS  VT   F0 1  F0 1  qVDS kBT q N2 D     Tích phân Fermi – Dirac giảm theo quy luật hàm mũ biểu thức (2.16) trở thành: ID  WC G T VGS  VT    e   1  e          (2.17) Khi điện áp vào điện cực cổng G V GS > VT điện áp vào điện cực máng D điện cực nguồn S VDS > nhỏ, tạo chênh lệch mức lượng Fermi tiếp xúc điện cực nguồn S điện cực máng D 2 = 1 – qVDS, có:      với   1  EC ,   k BT qVDS kBT (2.18) 1  qVDS  EC kBT Kết cuối cho dòng điện máng ID điện VDS là: ID Trong đó: T   e qVDS  WCG T VGS  VT    qVDS 1 e k BT k BT    (2.19) 2k BT vận tốc nhiệt điện tử (còn gọi vận tốc nhiệt  m*  Richardson), VT điện ngưỡng Nếu mở rộng đường hàm mũ cho VDS nhỏ, dòng điện máng ID thành: ID  W L  T L   CG VGS  VT  VDS k T q  B  (2.20) Như vậy, dòng điện máng ID VDS là: ID  Trong đó:  Ball  W BallCG VGS  VT  VDS L T L kBT q (2.21) độ linh động điện tử kênh dẫn, W độ rộng kênh dẫn phân tử L độ dài kênh dẫn phân tử [14], [22] Do đó, tỷ số W/L đại lượng đặc trưng cho đặc trưng dòng - mong muốn transistor phân tử Phương trình (2.21) giống kết truyền thống dòng ID = f(VDS,VGS) nMOSFET Từ đặc trưng I D  f VDS  , biểu thức (2.21) thay đổi để biểu diễn đặc trưng phi tuyến Dòng điện máng ID cho bằng: hay: ID   W V2   BallCG VGS  VT  VDS  DS  L   ID  W BallCG 2VGS  VT  VDS  VDS L  (2.22)  (2.23) Chú ý giá trò VDS nhỏ, thành phần VDS2 trở nên bỏ qua, biểu thức (2.22) biểu thức (2.23) trở thành biểu thức (2.20) mà ta khai triển trước [22] Ta đònh nghóa: Kn  W  Ball CG L (2.24) gọi thông số dẫn Biểu thức (2.23) viết bằng: ID   Kn VGS  VT VDS  VDS  (2.25) Quan hệ phi tuyến dòng máng ID điện máng - nguồn VDS rõ ràng Ta tìm thấy giá trò VDS giá trò dòng đỉnh từ I D VDS  [22] Ta thấy dòng đỉnh xuất VDS(sat) = VGS – VT Giá trò VDS VDS(sat), điểm xuất dòng điện máng ID bão hoà Khi VDS > VDS(sat), dòng máng ID lý tưởng không đổi bằng: ID   Kn VGS  VT VDS sat  VDS  sat  (2.26) Khi sử dụng VDS(sat) = VGS – VT, biểu thức (2.26) trở thành: I Dsat  Kn VGS  VT    hay: I D sat  (2.27a) W Ball CG VGS  VT    L Biểu thức (2.25) mô tả quan hệ I D  f VDS  (2.27b) VGS  const transistor phân tử kênh n thiên áp vùng không bão hoà  VDS  VDS(sat) Hình 2.12 biểu diễn đặc trưng KẾT LUẬN * Những kết khoa học đề tài “Mô Đặc tuyến Volt – Ampere Transistor trường phân tử sử dụng Phương pháp hàm Green không cân bằng”: Tìm hiểu trở ngại ngành vi điện tử giảm kích thước linh kiện điện tử xuống thang nanomet, từ nghiên cứu phân tích hướng công nghệ linh kiện điện tử nay, linh kiện điện tử lượng tử Tổng quan linh kiện điện tử phân tử Xây dựng mô hình transistor phân tử: Sử dụng phân tử vòng Benzene liên kết 1–4 làm kênh dẫn ghép nối đến tiếp xúc phân tử Vàng (Au) sử dụng làm điện cực nguồn S điện cực máng D theo hướng tiếp cận từ lên, điện cực cổng G cách điện với kênh dẫn phân tử màng mỏng oxide SiO2 Cấu trúc transistor phân tử xây dựng có dạng MOSFET bán dẫn khối truyền thống Tác giả sử dụng lý thuyết hàm Green trạng thái không cân NEGF, giải phương trình Poisson lý thuyết hàm mật độ DFT giải toán mật độ dòng điện tử chảy từ tiếp xúc điện cực nguồn S xuyên qua kênh dẫn phân tử đến tiếp xúc điện cực máng D, hình thành nên dòng điện ID mạch Xây dựng nên mô hình toán học tính dòng xuyên qua transistor phân tử Tác giả sử dụng phần mềm MATLAB để thiết kế giao diện đồ hoạ Lập trình tính toán dòng điện ID dựa phần mềm MATLAB Hiển thò đặc trưng dòng - transistor phân tử giao diện đồ họa trực quan Phần mềm mô transistor phân tử hiển thò lựa chọn phân tử vòng Benzene làm kênh dẫn (thư viện vật liệu làm kênh dẫn phân tử), khảo sát đặc trưng dòng - transistor phân tử ảnh hưởng thay đổi kích thước dài L kích thước rộng kênh dẫn phân tử, thay đổi nhiệt độ, thay đổi điện áp vào điện cực cổng VGS điện cực máng VDS điện cực nguồn Sử dụng GUI phần mềm MATLAB để tạo nên giao diện nhập liệu nhanh chóng, xác, trực quan, đơn giản hóa việc khảo sát ảnh hưởng yếu tố lên đặc trưng dòng - transistor phân tử Đưa biểu thức giải tích đặc trưng dòng - ID = f(VDS,VGS) Mục đích việc mô đưa giao diện trực quan nhằm quan sát ảnh hưởng thông số đầu vào lên đặc trưng dòng - transistor phân tử Đồng thời, chứng minh mô công cụ quan trọng giúp nhà khoa học có khả rút ngắn thời gian giảm chi phí nghiên cứu cách đáng kể Hiện nay, mô lónh vực phát triển mạnh khoa học kỹ thuật Nhiều hội nghò quốc tế diễn có nhiều lónh vực thảo luận, mô đánh giá lónh vực nghiên cứu quan trọng Tính trực quan dễ tiếp cận giúp có nhìn chung toàn cấu trúc đặc tính linh kiện Sự trước mô đònh hướng cho nhà chế tạo linh kiện có chuẩn bò kiểm nghiệm sản phẩm chế tạo tốt Trên giới, ngày nước có khoa học công nghệ tiên tiến đầu tư phát triển mạnh sản phẩm nano, đặc biệt công nghệ linh kiện điện tử nano dần thay công nghệ vi điện tử Đề tài “Mô Đặc tuyến Volt – Ampere Transistor trường phân tử sử dụng Phương pháp hàm Green không cân bằng” đònh hướng nghiên cứu linh kiện điện tử nano mà giới bắt đầu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Huỳnh Hoàng Trung (2008), Mô Transistor phân tử, Luận văn Thạc só Vật lý Vô tuyến – Điện tử, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, Việt Nam [2] PGS TS Đinh Sỹ Hiền, Điện tử nanô: Linh kiện Công nghệ, Nxb Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, Tp HCM, 2005 [3] A Aviram and M A Ratner (1974), Chem Phys Lett 29, 277 [4] W Su (2006), First principles study of Molecular electronic devices, Royal Institute of Techonology, Stockholm, Sweden [5] P S Damle (2003), Nanoscale device modeling: from MOSFETs to Molecules, PhD thesis, Purdue University, USA [6] Supriyo Datta (2005), Quantum transport: Atom to Transistor, Cambridge University Press [7] M Lundstrom and H Pal (2007), Nanoscale MOSFET physics for Compact Models, Purdue University, USA [8] M Lumdstrom (2007), Simple Theory of the Ballistic Nanotransistor, Purdue University, USA [9] Jiwoong Park (2003), Electron transport in Single Molecule Transistor, PhD thesis, University of California, USA [10] Lam H Yu (2006), Transport in Single Molecule Transistors, PhD thesis, Rice University, USA [11] N D Lang, P M Solomon (2007), The Biphenyl Molecular as A Model Transistor, ACS Nano, IBM Thomas J Watson Research Center, New York, USA [12] Jing Guo (2004), Carbon nanotube electronics: Modeling, Physics, and Applications, PhD thesis, Purdue University, USA [13] A Rahman (2005), Exploring new channel materials for nanoscale CMOS devices: A simulation approach, Purdue University, USA [14] M Paulsson and S Datta, Thermoelectric effects in molecular electronics, Physics Rev B67, 241403®, 2003 [15] A Rahman, J Guo, S Datta and M Lundstrom, Theory of Ballistic Transistor, IEEE Transaction on Electron Devices 50, 1853, 2003 [16] J Guo and M Lundstrom, Nanoscale Transistors, Springer, 2006 [17] M Paulsson, F Zakid and S Datta, Resistance of a Molecule, Purdue University, in USA, July 2004 [18] L Kouwenhoven and L Glazman, Revival of the Kondo Effect, Physics World, p 33, Janury 2001 [19] S Luryi, Quantum Capacitance Devices, Appl Phys Lett 52, 501, 1988 [20] N D Lang, P M Solomon, Charge control in Model Biphenyl Molecular Transistor, Nano Lett 5, 921 – 924, 2005 [21] Trần Tiến Phức, Transistor phân tử C6H4Br2, C6H4F2 C6H4Cl2, Hội nghò Vật lý Chất rắn toàn quốc lần thứ 5, Vũng Tàu, tháng 11 năm 2007 [22] PGS TS Đinh Sỹ Hiền, Linh kiện Bán dẫn, Nxb Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, Tp HCM, 2008 [...]... hình điện tử của phân tử gây nên hiệu ứng chuyển mạch - Linh kiện phân tử cơ điện tử, sử dụng phản ứng điện hoá để thay đổi hình dạng, đònh hướng hoặc cấu hình điện tử của một phân tử gây nên hiệu ứng chuyển mạch Đề tài này nghiên cứu về những linh kiện điện tử phân tử có ba điện cực điều khiển bằng điện trường: Transistor phân tử (Molecular Transistors - MTs) vòng Benzene C6H4S2 Transistor phân tử là... khảo sát 1.4 TRANSISTOR TRƯỜNG PHÂN TỬ VÒNG BENZENE 1.4.1 Cấu trúc transistor trường phân tử Hình 1.4: Phác hoạ mô hình của transistor phân tử vòng Benzene C6H4S2 với kênh dẫn là phân tử Phenyl Dithiol vòng Benzene liên kết 1–4 (C6H4S2) kẹp giữa hai tiếp xúc điện cực nguồn (Source – S) và điện cực máng (Drain – D) làm bằng kim loại Vàng (Au) Transistor phân tử sử dụng phân tử Phenyl Dithiol vòng Benzene... phân tử có hiệu ứng diode hay transistor và thực hiện nó thành linh kiện điện tử chính xác Điện tử phân tử sử dụng chính cấu trúc phân tử liên kết đồng hoá trò được cách điện với một nền khối Những linh kiện điện tử phân tử dây hay chuyển mạch bao gồm các phân tử riêng hoặc có cấu trúc siêu phân tử, hình thành trên cơ sở ‚điện tử học phân tử Có ít nhất bốn loại linh kiện chuyển mạch điện tử phân tử. .. trình mô phỏng 2.3.2 Mô phỏng đặc trưng dòng - thế của transistor phân tử bằng MATLAB Khảo sát đặc trưng dòng - thế của transistor phân tử trong luận văn này có thể thực hiện được bằng chương trình mô phỏng dựa trên phần mềm MATLAB ở đònh dạng *.m file và đònh dạng *.fig file Trong chương trình mô phỏng ở đònh dạng *.m file: Để dễ phân biệt những đường đồ thò biểu diễn đặc trưng dòng - thế của transistor. .. transistor phân tử C6H4S2 ở đònh dạng *.fig file 2.4 NHẬN XÉT VỀ ĐẶC TRƯNG DÒNG - THẾ CỦA TRANSISTOR TRƯỜNG PHÂN TỬ MÔ PHỎNG Transistor phân tử mà tác giả khảo sát trong đề tài Mô phỏng transistor phân tử sử dụng phân tử vòng Benzene đơn liên kết 1-4 với nguyên tử Lưu huỳnh ở hai đầu (Phenyl Dithiol C6H4S2) làm kênh dẫn, là transistor phân tử loại n (nMTs) với điện thế áp vào điện cực máng D đối với... đề xuất, sử dụng phân tử Biphenyl (hai vòng Benzene) làm kênh dẫn, dựa trên lý thuyết hàm mật độ (Density Functional Theory - DFT) khảo sát sự vận chuyển điện tử xuyên qua những tiếp xúc phân tử với hai điện cực Supriyo Datta và những đồng sự của ông (Cambridge University Press) đề xuất sử dụng phân tử vòng Benzene đơn làm kênh dẫn trong mô hình transistor phân tử, và sử dụng phương pháp hàm Green trạng... kết của kênh dẫn phân tử C6H4S2 với những nguyên tử Vàng, cấu trúc kênh dẫn phân tử không bò biến dạng [9, 20, 21] (a) (b) (c) (d) Hình 2.3: Hệ thống gồm tiếp xúc - phân tử - tiếp xúc Xem xét những mức năng lượng của một phân tử Phenyl dithiol cô lập C6H6S2, vùng cấm là khoảng năng lượng nằm giữa HOMO và LUMO [9] 2.2 DÙNG PHẦN MỀM MATLAB MÔ PHỎNG ĐẶC TRƯNG DÒNG - THẾ CỦA TRANSISTOR TRƯỜNG PHÂN TỬ Mô phỏng. .. trình cho các đối tượng đồ họa 2.3 MÔ PHỎNG ĐẶC TRƯNG DÒNG - THẾ CỦA TRANSISTOR PHÂN TỬ 2.3.1 Lưu đồ khối giải thuật Chúng ta sử dụng mô hình toán tử Hamiltonian [H] mô tả cho kênh dẫn phân tử Hiệu ứng của những tiếp xúc điện cực nguồn S và điện cực máng D, những hàm self - energy 1 và 2 được đưa vào sử dụng Những quá trình tán xạ có thể được mô tả bằng việc sử dụng ma trận self - energy S Những... phương pháp NEGF với DFT truyền thống trong xây dựng mô hình toán học tính dòng phục vụ cho mô phỏng những đặc trưng dòng - thế của Transistor phân tử Chúng tôi sẽ nhận thấy sự khác nhau giữa đặc trưng dòng - thế của Transistor phân tử và MOSFET truyền thống Thêm vào đó, ảnh hưởng của vật liệu, nhiệt độ và điện thế thiên áp đến đặc trưng dòng - thế của Transistor phân tử cũng sẽ được khảo sát 1.4 TRANSISTOR. .. Linh kiện chuyển mạch điện tử phân tử điều khiển bằng điện trường, bao gồm các linh kiện dựa trên các hiệu ứng lượng tử phân tử - Linh kiện cơ điện tử phân tử, sử dụng các lực được áp vào bằng điện hay cơ học để thay đổi cấu tạo hoặc làm chuyển động các phân tử hay một nhóm các phân tử để đóng mở dòng gây nên hiệu ứng chuyển mạch - Linh kiện chuyển mạch phân tử quang hoạt, sử dụng ánh sáng để thay đổi