SEMINAR

GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG KIM HIẾUHVTH: LÊ NGUYỄN BẢO THƯ

PHÙNG VĂN HƯNGLÊ DUY NHẬT

NỘI DUNG

TRANSISTOR VI ĐIỆN TỬ• Cấu tạo và hoạt động của transistor trường (FET)• Những trở ngại để thu nhỏ FETLINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANO• Giảm kích thước linh kiện bán dẫn khối - ống nanocacbon và những ứng dụng• Linh kiện điện tử nano hiệu ứng lượng tử• Linh kiện điện tử nano hiệu ứng spin (spintronic)

TRANSISTOR VI ĐIỆN TỬ• Cấu tạo và hoạt động của transistor trường (FET)• Những trở ngại để thu nhỏ FETLINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANO• Giảm kích thước linh kiện bán dẫn khối - ống nanocacbon và những ứng dụng• Linh kiện điện tử nano hiệu ứng lượng tử• Linh kiện điện tử nano hiệu ứng spin (spintronic)

TRANSISTOR VI ĐIỆN TỬ

Cấu tạo transistor trường FET

TRANSISTOR VI ĐIỆN TỬ

Hoạt động của transistor trường FET

Thế cực cổng bằng 0Không có dòng điện tử từ nguồn

đến máng – transistor đóng

Tăng thế cực cổngCó dòng điện tử từ nguồnđến máng – transistor mở

Đáp ứng hai vai trò: Linh kiện hai trạng tháiKhuyếch đại

TRANSISTOR VI ĐIỆN TỬNHỮNG TRỞ NGẠI ĐỂ THU NHỎ FET:

• Điện trường cao, tạo nên “đánh thủng thác lũ” làmhỏng linh kiện• Tiêu tán nhiệt• Những tính chất giảm khối• Sự co lại của vùng nghèo => sự xuyên hầm của điệntử từ nguồn đến máng• Sự co lại của lớp oxit dưới cổng => sự xuyên hầmcủa điện tử từ cổng đến máng• Trở ngại về kinh tế, cứ ba năm giá thành nhà máychế tạo chip tăng lên gấp đôi => sự bế tắc về kinh tế

NHỮNG TRỞ NGẠI ĐỂ THU NHỎ FET:• Điện trường cao, tạo nên “đánh thủng thác lũ” làmhỏng linh kiện• Tiêu tán nhiệt• Những tính chất giảm khối• Sự co lại của vùng nghèo => sự xuyên hầm của điệntử từ nguồn đến máng• Sự co lại của lớp oxit dưới cổng => sự xuyên hầmcủa điện tử từ cổng đến máng• Trở ngại về kinh tế, cứ ba năm giá thành nhà máychế tạo chip tăng lên gấp đôi => sự bế tắc về kinh tế

=>Cần một cuộc cách mạng, tìm những linh kiện điệntử và công nghệ chế tạo mới: linh kiện điện tử nano

LINH KIỆN ĐIỆN TỬ NANO

Linh kiện điện tử nano bán dẫn

Linh kiện điện tử nanohiệu ứng lượng tử

Giảm kích thước linh kiện bándẫn khối - ống nano cacbon

Linh kiện điện tử nanohiệu ứng spin

Linh kiện điện tử phân tử

Linh kiện điện tử nguyên tửChấm lượng tử (QD) Linh kiện điện tử nguyên tửChấm lượng tử (QD)

Linh kiện đườnghầm cộng hưởng

Đíôt đường hầmcộng hưởng (RTD)

Transistor đường hầmcộng hưởng (RTT)

Linh kiện laimicro - nano

Transistor đơnđiện tử (SET)

ỐNG NANO CARBON

Giới thiệu:Ống nano carbon do SumioLijima của phòng thínghiệm Nec Tdukuba pháthiện vào năm 1991. CNTcó thể xem như một dảibăng cắt từ mặt phẳnggrafit (được gọi là graphen)và được cuộn thành hình trụliền rỗng.

ỐNG NANO CARBONGiới thiệu:Ống nano carbon do SumioLijima của phòng thínghiệm Nec Tdukuba pháthiện vào năm 1991. CNTcó thể xem như một dảibăng cắt từ mặt phẳnggrafit (được gọi là graphen)và được cuộn thành hình trụliền rỗng.

Phân loại ống nano carbon

Ống nano tườngđơn (SWNT)

Ống nano tường đa(MWNT) bao gồmnhiều hình trụđược lồng chặt vàonhau.

Có hai loại ống nano carbon:

Ống nano tườngđơn (SWNT)

Ống nano tường đa(MWNT) bao gồmnhiều hình trụđược lồng chặt vàonhau.

2.Cấu trúc hình học của ống nanocarbon

Cấu trúc của CNT được mô tảbằng vecto chu vi hay vecto ChiCh biểu diễn chu vi toàn phần củaống. Nó được xác định bằngCh = na1 + ma2

Với : a1 và a2 là vecto đơn vịtrong mạng sáu cạnh, n và m lànhững số nguyên. Ch định vị cáigọi là góc Chi là góc giữa Ch vàa1.

Cấu trúc của CNT được mô tảbằng vecto chu vi hay vecto ChiCh biểu diễn chu vi toàn phần củaống. Nó được xác định bằngCh = na1 + ma2

Với : a1 và a2 là vecto đơn vịtrong mạng sáu cạnh, n và m lànhững số nguyên. Ch định vị cáigọi là góc Chi là góc giữa Ch vàa1.

Cấu trúc của các dạng ống nano cacbon khác nhau được địnhnghĩa theo giá trị của n, m:

m=n : góc Chi θ = 300: cấu trúc ghế bành (“arnchair” m=0 hoặc n=0 : θ = 0 cấu trúc hình chữ chi (“zigzag”) * nm : 0< ө <300 cấu trúc khác (“chiral”)

Giản đồ năng lượng của Ống Nano Carbon

Tính chấtTính bền:CNT là vật liệu cứng và bền nhất đã được phát hiện. Độ bền này là do

liên kết cộng hóa trị sp^2 giữa từng nguyên tử carbon.Tính dẫn điện

Nói chung, tính chất bán dẫn hay kim loại của CNT được điều khiểnbằng vecto C và do đó, bằng quan hệ của n và m. Tính kim loại xuấthiện khi:

n – m = 3q (q: một số nguyên )Nếu: n-m 3q các ống nano cacbon có tính bán dẫn

Tính dẫn nhiệtCNT là chất dẫn nhiệt rất tốt nếu xét theo chiều dọc theo ống nhưng nólà chất cách điện nếu xét theo chiều ngang với trục ống.

Tính bền:CNT là vật liệu cứng và bền nhất đã được phát hiện. Độ bền này là do

liên kết cộng hóa trị sp^2 giữa từng nguyên tử carbon.Tính dẫn điện

Nói chung, tính chất bán dẫn hay kim loại của CNT được điều khiểnbằng vecto C và do đó, bằng quan hệ của n và m. Tính kim loại xuấthiện khi:

n – m = 3q (q: một số nguyên )Nếu: n-m 3q các ống nano cacbon có tính bán dẫn

Tính dẫn nhiệtCNT là chất dẫn nhiệt rất tốt nếu xét theo chiều dọc theo ống nhưng nólà chất cách điện nếu xét theo chiều ngang với trục ống.

Các phương pháp tổng hợp nanocarbon Phóng điện hồ quang Bốc hơi laser Lắng đọng bay hơi hóa học Kết tinh lại xâm thực

Phóng điện hồ quang Bốc hơi laser Lắng đọng bay hơi hóa học Kết tinh lại xâm thực

Trong hệ thống cơ điện

Ứng dụng

NanomotorA Nanomotor inside of a Patch Clamp Head:

Trong sinh học ( di truyền học) Trong hóa học Trong sinh học ( di truyền học) Trong hóa học

Ứng dụng Trong điện tử

QUANTUM DOT(Chấm lượng tử)

Quantum dots (QDs) là những tinh thể nano bán dẫn với kíchthước từ 2-10 nm, chẳng hạn như các hệ CdSe, ZnS, ... MỗiQD có thể chứa từ 100-1000 nguyên tử

Sự hình thành

QD hình thành khi những màng bándẫn mỏng bị cong xuống bởi áp suấttạo thành do sự khác nhau về cấu trúcmạng giữa màng bán dẫn với vật liệunó phát triển trên đó.

QD hình thành khi những màng bándẫn mỏng bị cong xuống bởi áp suấttạo thành do sự khác nhau về cấu trúcmạng giữa màng bán dẫn với vật liệunó phát triển trên đó.

Chỉ sự khác nhaukhoảng một vài phầntrăm về kích thướcmạng đã tạo ra ápsuất trong một lớpmạng lớn gấp mườilần áp suất ở nơi sâunhất trong đạidương.

Chỉ sự khác nhaukhoảng một vài phầntrăm về kích thướcmạng đã tạo ra ápsuất trong một lớpmạng lớn gấp mườilần áp suất ở nơi sâunhất trong đạidương.

Khi các lớp mới được đặt lên, những ápsuất này sẽ làm cho lớp màng trước đótách ra thành các chấm và bung ra theohướng thứ 3 để thoát khỏi áp suất, hơnlà là tiếp tục phát triển chống lại lực cảntheo hai hướng.

Khi các lớp mới được đặt lên, những ápsuất này sẽ làm cho lớp màng trước đótách ra thành các chấm và bung ra theohướng thứ 3 để thoát khỏi áp suất, hơnlà là tiếp tục phát triển chống lại lực cảntheo hai hướng.

Hình ảnh 3 chiều của QD InAs

Đặc trưng cơ bản của QD

Năng lượng vùng cấm của QD khôngliên tục mà bị lượng tử hóa do hiệntượng giam hãm lượng tử(quantumconfinement)

Năng lượng vùng cấm của QD khôngliên tục mà bị lượng tử hóa do hiệntượng giam hãm lượng tử(quantumconfinement)

QD càng lớn(năng lượng thấp) thì phổ huỳnhquang của nó càng đỏ và ngược lại, QD càngnhỏ thì phổ huỳnh quang càng xanh. Nănglượng vùng cấm quyết định năng lượng(và vì thếmàu sắc) của phổ huỳnh quang

Ngoài ra phổ huỳnh quang của QD cònphụ thuộc vào vật liệu chế tạo QD.

Đối với QD, mật độ electron chủ yếu nằmgần bề mặt.

Ứng dụng

Trong lĩnh vực y-sinh học: kiểm traDNA, chụp hình 3D trong các sinh vật.

Trong lĩnh vực hóa học Trong điện tử: các linh kiện quang,

quang điện tử

Trong lĩnh vực y-sinh học: kiểm traDNA, chụp hình 3D trong các sinh vật.

Trong lĩnh vực hóa học Trong điện tử: các linh kiện quang,

quang điện tử

HIỆN TƯỢNG XUYÊN HẦM CỘNG HƯỞNG

Hiện tượng xuyên hầm qua rào đơn:

Đồ thị năng lượng dải ràođơn AlAs gắn trong GaAs

Xác suất xuyên hầm ứng vớicác độ dày rào khác nhau

Hiện tượng xuyên hầm qua rào kép:

HIỆN TƯỢNG XUYÊN HẦM CỘNG HƯỞNG

Đồ thị năng lượng dải ràokép AlAs gắn trong GaAs

Xác suất xuyên hầm ứng vớírào dày 4nm và giếng 5nm

Hiện tượng xuyên hầm cộng hưởng làhiện tượng khi một e đến bờ rào của mộthố thế, nếu năng lượng của nó trùng khítvới một mức năng lượng rời rạc nào đótrong hố thế thì e sẽ vượt qua rào với xácsuất tăng vọt, ngược lại thì e không thểvượt qua rào thế.

HIỆN TƯỢNG XUYÊN HẦM CỘNG HƯỞNG

Hiện tượng xuyên hầm cộng hưởng làhiện tượng khi một e đến bờ rào của mộthố thế, nếu năng lượng của nó trùng khítvới một mức năng lượng rời rạc nào đótrong hố thế thì e sẽ vượt qua rào với xácsuất tăng vọt, ngược lại thì e không thểvượt qua rào thế.

DIOD ĐƯỜNG HẦM CỘNG HƯỞNG (RTD)

Cấu tạo

Cấu tạoNguyên tắc hoạt động

DIOD ĐƯỜNG HẦM CỘNG HƯỞNG (RTD)

TRANSISTOR ĐƯỜNG HẦMCỘNG HƯỞNG (RTT)

Cấu tạo

Cấu tạoNguyên tắc hoạt động

TRANSISTOR ĐƯỜNG HẦMCỘNG HƯỞNG (RTT)

TRANSISTOR ĐƯỜNG HẦMCỘNG HƯỞNG (RTT)

=>Mở ra hướng nghiên cứu mới: linh kiện điện tử đa trạngthái, có mật độ chức năng logic cao hơn nhưng ít linh kiệnhơn, ít toả nhiệt hơn.

LINH KIỆN LAI MICRO - NANO

Các RTD có kích thước nano được gắn trên cực nguồnhoặc cực máng của một transistor trường làm tăng

trạng thái logic của transistor trường.

HỘP ĐƠN ĐIỆN TỬ -HIỆU ỨNG KHOÁ COULOMB

Cấu tạo hộp đơn điện tử

Khi kích thước giảm, nănglượng nạp We của chấmlượng tử tăngKhi năng lượng nạp We lớnhơn năng lượng nhiệt kT,điện thế giữa hai điện cựcbằng nhau, không có exuyên hầm vào hoặc rachấm lượng tử, số lượng etrong chấm lượng tử đượcgiữ cố định gọi là khóaCoulomb.

Cấu tạo hộp đơn điện tử

Khi kích thước giảm, nănglượng nạp We của chấmlượng tử tăngKhi năng lượng nạp We lớnhơn năng lượng nhiệt kT,điện thế giữa hai điện cựcbằng nhau, không có exuyên hầm vào hoặc rachấm lượng tử, số lượng etrong chấm lượng tử đượcgiữ cố định gọi là khóaCoulomb.

ne

Vg

Quantum dot

Mạch tương đương

Cg

Khi tăng điện thế củađiện cực cổng đến mộtgiá trị nhất định, một e bịhút vào chấm lượng tủ,tiếp tục tăng điện thế, sẽcó thêm e khác bị hútvào.Ta có thể điều khiển sốđiện tử trong chấmlượng tử bằng điện thếcực cổng.

HỘP ĐƠN ĐIỆN TỬ -HIỆU ỨNG KHOÁ COULOMB

Khi tăng điện thế củađiện cực cổng đến mộtgiá trị nhất định, một e bịhút vào chấm lượng tủ,tiếp tục tăng điện thế, sẽcó thêm e khác bị hútvào.Ta có thể điều khiển sốđiện tử trong chấmlượng tử bằng điện thếcực cổng.

Số e bị hút vào phụ thuộcvào điện thế cực cổng

TRANSISTOR ĐƠN ĐIỆN TỬ (SET)

Cấu tạo transistor đơn điện tử (SET)

Bằng cách điều chỉnhđiện thế của cựcnguồn, cực máng vàcực cổng, ta có thểđiều khiển cho từng eđi từ cực nguồn đềnchấm lượng tử rồi đitiếp đến cực máng nhờhiệu ứng khoáCoulomb

Mạch tương đương

Cấu tạo transistor đơn điện tử (SET)

Bằng cách điều chỉnhđiện thế của cựcnguồn, cực máng vàcực cổng, ta có thểđiều khiển cho từng eđi từ cực nguồn đềnchấm lượng tử rồi đitiếp đến cực máng nhờhiệu ứng khoáCoulomb

TRANSISTOR ĐƠN ĐIỆN TỬ (SET)

Ưu điểm:Tiêu tốn công suất thấpGiảm kích thước tốtTốc độ rất nhanhNhược điểm:Dòng thung lũng, các linh kiện không đóng hoàn toànNhạy với thăng giáng của thể vàoHoạt động ở nhiệt độ thấpĐiện tích nền ảnh hưởng đến hoạt động của linh kiệnDòng xuyên hầm cực nhạy với độ rộng rào thế (theo hàm mũ)Khó chế tạo linh kiện một cách đồng nhất và chính xác

ƯU ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ CỦA LINHKIỆN ĐIỆN TỬ NANO BÁN DẪN

Ưu điểm:Tiêu tốn công suất thấpGiảm kích thước tốtTốc độ rất nhanhNhược điểm:Dòng thung lũng, các linh kiện không đóng hoàn toànNhạy với thăng giáng của thể vàoHoạt động ở nhiệt độ thấpĐiện tích nền ảnh hưởng đến hoạt động của linh kiệnDòng xuyên hầm cực nhạy với độ rộng rào thế (theo hàm mũ)Khó chế tạo linh kiện một cách đồng nhất và chính xác