Đề tài Mô phỏng đặc tuyến Volt - Ampere của transistor một điện tử (Phần 1)

Nội dung text: Đề tài Mô phỏng đặc tuyến Volt - Ampere của transistor một điện tử (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG MƠ PHỎNG ĐẶC TUYẾN VOLT - AMPERE CỦA TRANSISTOR MỘT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: T2010 - 46 ChỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: Th.S HUỲNH HỒNG TRUNG S K C 0 0 2 9 0 6 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11 NĂM 2010
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HỌC CƠ BẢN BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG MƠ PHỎNG ĐẶC TUYẾN VOLT - AMPERE CỦA TRANSISTOR MỘT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ T2010 – 46 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: ThS. HUỲNH HỒNG TRUNG TP. HỒ CHÍ MINH, 11/2010
3. MỤC LỤC Trang phụ bìa Mục lục Danh mục các hình vẽ, đồ thị Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt MỞ ĐẦU 1 Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC TÍNH DÒNG QUA TRANSISTOR MỘT ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP HÀM GREEN 2 1.1. Tổng quan về những nghiên cứu liên quan đến transistor một điện tử 2 1.2. Cơ sở xuyên hầm của điện tử trong linh kiện transistor một điện tử 4 1.2.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của transistor một điện tử 4 1.2.2. Quan sát hiện tượng xuyên hầm 7 1.2.3. Điều kiện quan sát dao động xuyên hầm của một điện tử 9 1.2.4. Nhận xét 10 1.3. Các khái niệm cơ bản của transistor một điện tử 10 1.3.1. Mô hình thông số của transistor một điện tử 11 1.3.2. Điều kiện hoạt động truyền tải điện tử ở chế độ chấm lượng tử 13 1.3.3. Tốc độ xuyên hầm của điện tử 14 1.4. Transistor một điện tử với chấm lượng tử một mức 14 1.4.1. Quan sát dao động Coulomb 15 1.4.2. Dòng qua chấm lượng tử một mức 17 1.4.3. Chấm lượng tử với nhiều trạng thái tích điện: hình thôi Coulomb 21 1.5. Nhận xét 24
4. Chương 2: MÔ PHỎNG SỰ VẬN CHUYỂN ĐIỆN TỬ TRONG TRANSISTOR MỘT ĐIỆN TỬ 25 2.1. Mô hình tính dòng qua transistor một điện tử với chấm lượng tử một mức 25 2.2. Mô phỏng những đặc trưng của transistor một điện tử trên phần mềm MATLAB 28 2.2.1. Lưu đồ giải thuật tính dòng qua transistor một điện tử 28 2.2.2. Những đặc trưng của transistor một điện tử mô phỏng được 30 2.2.3. Quan sát dao Coulomb của transistor một điện tử với chấm lượng tử một mức 32 2.2.4. Quan sát vùng khoá Coulomb của transistor một điện tử với chấm lượng tử một mức 36 KẾT LUẬN 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42
5. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Chương 1: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC TÍNH DÒNG ĐIỆN QUA TRANSISTOR MỘT ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP HÀM GREEN 1.1 Cấu trúc transistor một điện tử SET. 3 1.2 Độ dẫn của một transistor một điện tử như là một hàm 3 của điện thế cực cổng. Khoảng cách giữa các đỉnh là điện thế cần thiết để thêm một điện tử vào nguyên tử nhân tạo. Những kết quả này dành cho một loại linh kiện trong nghiên cứu của Meirav và các đồng sự. 1.3 Cấu trúc của transistor một điện tử SET. 4 1.4 Sự truyền tải điện tử trong transistor một điện tử SET. 8 1.5 Sơ đồ cấu trúc và các thông số của transistor một điện 11 tử SET. 1.6 Biểu đồ các mức năng lượng của transistor một điện tử 12 SET. 1.7 Biểu đồ mức năng lượng của transistor một điện tử 16 SET với chấm lượng tử một mức. 1.8 Dao động Coulomb. 16 1.9 Các giá trị của hàm phân bố Fermi. 20 1.10 Chấm lượng tử với ba trạng thái tích điện. 22 Chương 2: MÔ PHỎNG SỰ VẬN CHUYỂN ĐIỆN TỬ TRONG TRANSISTOR MỘT ĐIỆN TỬ 2.1 Sơ đồ cấu trúc và biểu đồ năng lượng của SET với 25 chấm một mức. 2.2 Lưu đồ khối giải thuật chương trình mô phỏng những đặc 29 trưng của SET. 2.3 Màn hình nền thể hiện kết quả mô phỏng những đặc 30 trưng của SET.
6. 2.4 Đặc trưng Id – Vgs của SET với Vds = 5mV, n = 2 tại 31 T = 10K. 2.5 Đặc trưng Id – Vds của SET với Vgs = 5mV, n = 2 tại 31 T = 10K. 2.6 Độ dẫn G – Vds của SET với Vgs = 80mV, n = 2 tại 32 T = 10K. 2.7 Đặc trưng Id – Vds – Vgs của SET với Vds = 80mV, 32 Vgs = 60mV và n = 4 tại T = 10K. 2.8 Dao động khóa Coulomb của SET. 33 2.9 Ảnh hưởng của các thông số W (W = 40, 50, 60, 34 70 nm) lên dao động Coulomb. 2.10 Ảnh hưởng của các thông số L (L = 60, 80, 100, 34 120 nm) lên dao động Coulomb. 2.11 Ảnh hưởng của các thông số tox (tox = 70, 80, 90, 35 100 nm) lên dao động Coulomb. 2.12 Ảnh hưởng của vật liệu làm chấm lượng tử lên dao 35 động Coulomb. 2.13 Ảnh hưởng của điện thế thiên áp Vds lên dao động 36 Coulomb. 2.14 Ảnh hưởng của nhiệt độ T lên dao động Coulomb. 36 2.15 Khoá Coulomb trong trườmg hợp chấm lượng tử của 38 SET một mức có hai trạng thái tích điện. 2.16 Khoá Coulomb trong trườmg hợp chấm lượng tử có 40 năm trạng thái tích điện.
7. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor FET Field Effect Transistor GUI Graphical User Interfaces MATLAB MATrix LABoratory MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor MTs Molecular Transistors NEGF Non – Equilibrium Green’s Function QD Quantum Dot RTD Resonant Tunneling Device RTT Resonant Tunneling Transistor SET Single Electron Transistor
8. THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Tên đề tài: Mô phỏng Đặc tuyến Volt – Ampere của Transistor một điện tử Mã số: T2010 – 46 Chủ nhiệm đề tài: ThS. Huỳnh Hoàng Trung 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 1. Mục tiêu a. Tìm hiểu và xây dựng mô hình cấu trúc linh kiện điện tử nano Transistor một điện tử. b. Xây dựng mô hình toán học tính dòng - thế xuyên qua linh kiện sử dụng Phương pháp hàm Green trạng thái không cân bằng (The Non-Equilibrium Green’s Function - NEGF). c. Sử dụng phần mềm MATLAB mô phỏng đặc trưng dòng - thế. d. Dựa vào kết quả mô phỏng xem xét ảnh hưởng các tham số kích thước, nhiệt độ, thế điều khiển ở cực cổng lên những đặc trưng dòng - thế. 2. Nội dung nghiên cứu a. Định hướng nghiên cứu và xác định cấu trúc linh kiện. b. Xây dựng mô hình toán học. c. Lập trình mô phỏng bằng MATLAB. d. Chạy thử, kiểm tra và đánh giá chương trình mô phỏng. 3. Kết quả chính đạt được Kết quả của đề tài (khi nghiệm thu) là mục tiêu ở mục 1 và nội dụng nghiên cứu ở mục 2. 4. Điểm mới a. Sử dụng lý thuyết của NEGF xây dựng mô hình toán học tính dòng qua transistor một điện tử. b. Mô phỏng đặc tuyến Volt-Ampere của SET dựa trên GUI của MATLAB, kết quả mô phỏng thể hiện trực quan, sinh động. c. Xem xét ảnh hưởng các tham số kích thước kênh dẫn, nhiệt độ và thế điều khiển ở cực cổng lên những đặc trưng dòng – thế của SET.
9. 5. Sản phẩm - Thuật toán tính dòng qua linh kiện SET dựa vào Phương pháp hàm Green không cân bằng. - Phần mềm mô phỏng đặc tuyến Volt-Ampere của SET. 6. Địa chỉ 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. Ngày 10 tháng 11 năm 2010 Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên) TS. VÕ THANH TÂN HUỲNH HỒNG TRUNG
10. 1 MỞ ĐẦU Trong vài thập niên qua, những thành tựu to lớn trong việc chế tạo vi điện tử dựa trên MOSFET đã làm giảm kích thước và tăng mật độ tích hợp linh kiện trên chip. Thực tế hiện nay, kích thước transistor đã được giảm đến 32 nm theo cơng bố của Intel vào cuối năm 2009. Tuy nhiên, khi MOSFET đạt đến thang nanomet thì bản thân linh kiện và mạch tích hợp sẽ phát sinh các vấn đề như: điện trường cao gây đánh thủng linh kiện, tiêu tán nhiệt lớn, vùng nghèo giảm dẫn đến xuyên hầm theo cơ học lượng tử, Để khắc phục những vấn đề phát sinh trong quá trình giảm kích thước transistor bán dẫn, những nghiên cứu gần đây đã đưa ra nhiều mơ hình linh kiện thang nanomet cĩ thể thay thế cho linh kiện MOSFET trong việc thiết kế vi mạch như: transistor xuyên hầm cộng hưởng (RTT - Resonant Tunneling Transistor), transistor ống nano carbon (CNT - Carbon Nanotube Transistor), transistor một điện tử (SET - Single Electron Transistor ), transistor phân tử đơn (SMT - Single Molecular Transistor), Transistor đơn điện tử, SET là một trong các linh kiện sáng giá dùng để thay thế cho MOSFET trong tương lai. Vì SET là linh kiện cĩ khả năng điều khiển chuyển động từng điện tử một, hoạt động dựa trên hiệu ứng xuyên hầm, kích thước rất nhỏ thuộc thang nanomet, tiêu tán cơng suất thấp, Bên cạnh đĩ, SET cịn cĩ đặc trưng khác liên quan đến dao động khố Coulomb. Từ những đặc điểm nổi bật đĩ đã mở ra hướng nghiên cứu linh kiện điện tử mới trong việc chế tạo vi mạch. Đến nay đã cĩ nhiều mơ hình, phương pháp nghiên cứu về SET. Trong đĩ, cĩ ba phương pháp đã được sử dụng là phương pháp SPICE, phương pháp phương trình chính (ME – Master Equation) và phương pháp Monte Carlo (MC). Qua tham khảo các phương pháp này, tác giả nhận thấy phương pháp hàm Green khơng cân bằng (NEGF - The Non - Equilibrium Green’s Function) là cơng cụ tốn học khá mới chưa được đề cập trong các luận văn, bài báo, trong và ngồi nước đối với SET. Vì vậy, tác giả sẽ sử dụng và phát triển phương pháp NEGF đối với SET; xét các ảnh hưởng như nhiệt độ, thế cổng, vật liệu làm chấm lượng tử, đến đặc trưng I - V của SET. Mục đích nghiên cứu của đề tài ‘Mơ phỏng đặc tuyến Volt - Ampere của Transistor đơn điện tử’ là xây dựng mơ hình SET, dùng phương pháp NEGF và GUI của MATLAB để viết chương trình mơ phỏng đặc trưng I - V của SET. Nghiên cứu này nhằm cập nhật, làm phong phú thêm dữ liệu khoa học về SET nĩi chung, các linh kiện điện tử nano nĩi riêng; đây cũng là cơ sở cho việc thử nghiệm và chế tạo linh kiện thực ngày càng hồn thiện hơn.
11. 2 Chương 1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC TÍNH DÒNG ĐIỆN QUA TRANSISTOR MỘT ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP HÀM GREEN 1.1. TỔNG QUAN VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN TRANSISTOR MỘT ĐIỆN TỬ Cho đến hôm nay, trong lĩnh vực nghiên cứu linh kiện điện tử kích thước nanomet đã có khá nhiều mô hình transistor một điện tử SET được đề xuất. Mỗi mô hình SET được đề xuất có những ưu điểm và khuyết điểm riêng. Hiệu ứng của sự lượng tử hóa điện tích được quan sát đầu tiên tại các tiếp xúc đường hầm của những phần tử kim loại ngay từ 1968. Sau đó, một ý tưởng khắc phục khóa Coulomb với một điện cực cổng G được đề nghị bởi một tác giả. Và Kulik và Shekhter phát triển lý thuyết của dao động khóa Coulomb, sự biến đổi tuần hoàn của độ dẫn G như là một hàm của điện thế điện cực cổng. Lý thuyết của họ thì kinh điển, bao gồm sự lượng tử hóa điện tích nhưng không lượng tử hoa năng lượng. Tuy nhiên, mãi đến năm 1987 Fulton và Dolan đã tạo ra transistor một điện tử SET đầu tiên, hoàn toàn thoát khỏi những phần tử kim loại, chú ý dự đoán những dao động. Họ tạo ra một phần tử kim loại được liên kết với hai dây kim loại bằng những tiếp xúc đường hầm, tất cả ở trên đỉnh của chất cách điện với điện cực cổng bên dưới. Từ đó, những điện dung của những SET kim loại được làm giảm đi bởi sự lượng tử hóa điện tích rất nghiêm ngặt. Transistor một điện tử SET bán dẫn được tạo ra hết sức ngẫu nhiên vào năm 1989 bởi Scott – Thomas và các đồng sự trong những transistor hiệu ứng trường Si hẹp. Trong trường hợp này, những rào thế đường hầm được tạo ra bởi những điện tích trên bề mặt. Sau đó không lâu, Meirav và các đồng sự đã tạo ra những linh kiện điều khiển được như được miêu tả trong hình 1.1, mặc dù với những cấu trúc khác loại ít gặp với AlGaAs dưới đáy thay vì trên đỉnh. Đối với linh kiện SET này và những linh kiện tương tự, những tác động của hiệu ứng lượng tử hóa năng
12. 3 lượng quan sát một cách dễ dàng. Chỉ vài năm sau, những transistor một điện tử SET kim loại được tạo ra đủ nhỏ để quan sát sự lượng tử hóa năng lượng. Foxman và các đồng sự đã đo được bề rộng của mức Γ, chỉ ra sự lượng tử hóa điện tích và sự lượng tử hóa năng lượng bị tổn hao như thế nào như sự giảm đi của điện trở vào 2 khoảng h /e . Hình 1.1: Cấu trúc transistor một điện tử SET. Hình 1.2: Độ dẫn của một transistor một điện tử như là một hàm của điện thế cực cổng. Khoảng cách giữa các đỉnh là điện thế cần thiết để thêm một điện tử vào nguyên tử nhân tạo. Những kết quả này dành cho một loại linh kiện trong nghiên cứu của Meirav và các đồng sự. Trong hầu hết các trường hợp, điện thế giam giữ những điện tử trong transistor một điện tử SET là đối xứng đủ thấp trong phương thức của sự hỗn loạn lượng tử: lượng duy nhất được lượng tử hóa là năng lượng. Trong trường hợp này, phương pháp tiếp cận rất phức tạp dựa trên một phần lý thuyết ma trận ngẫu nhiên cho những dự đoán sự sắp xếp khoảng cách đỉnh và chiều cao đỉnh đối với dữ liệu giống như hình 1.2.
13. 4 Những mô hình của transistor một điện tử được đề xuất gần đây như mô hình do Ken Uchida (Programmable Single-Electron Transistor logic for future low- power intelligent LSI: Proposal and room-temperature operation, IEEE transactions on electron devices, vol. 50, no. 7, July 2003) đề xuất ứng dụng cho linh kiện hoạt động ở dãy thế thiên áp rộng, nhiệt độ tương đối cao nhưng chỉ sử dụng cho trường hợp linh kiện SET đối xứng. Trong khi đó mô hình của X. Wang và W. Porod (Single-electron transistor analytic I-V model for SPICE simulations, Superlatt. Microstruct, vol. 28, pp. 345-349, 2000) dùng được cho trường hợp bất đối xứng nhưng không chính xác ở vùng giữa khóa Coulomb. Đối với mô hình của Y. S. Yu (Macromodeling of single electron transistor for efficient circuits simulation, IEEE Trans. Electron Devices, vol. 46, pp. 1667-1671, Aug. 1996) thì không có cơ sở vật lý ứng dụng cho linh kiện thực. Mô hình của Hiroshi Inokawa và Yasuo Takahashi (A compact analytical model for asymmetric single electron tunneling transistor, IEEE Trans. Electron Devices, vol. 50, no. 2, Feb. 2003) có thể sử dụng cho transistor một điện tử SET bất đối xứng, dãy thế thiên áp và nhiệt độ tương đối rộng nhưng vẫn hạn chế ở nhiệt độ phòng. Do đó, việc xây dựng mô hình SET chuẩn ứng dụng cho thiết kế vi mạch điện tử thực vẫn còn trong giai đoạn nghiên cứu. 1.2. CƠ SỞ XUYÊN HẦM CỦA ĐIỆN TỬ TRONG LINH KIỆN TRANSISTOR MỘT ĐIỆN TỬ 1.2.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của transistor một điện tử VG Gate CG Source Island Drain CS, ΓS CD, ΓD V Hình 1.3: Cấu trúc của transistor một điện tử SET. Cấu trúc transistor một điện tử SET gồm một chấm lượng tử kích thước nanomet gọi là đảo “island” được bao quanh gồm ba điện cực: điện cực nguồn