Thạc Sĩ Xây dựng mô hình và mô phỏng 3d tán xạ phonon cho các đặc trưng của cntfet phẳng

1
MỞ ĐẦU
Transistor trường ống nanô (carbon nanotube field effect transistor,
CNTFET) là một trong các ứng cử viên đầy hứa hẹn có thể thay thế các
transistor trường CMOS trong tương lai vì những tính chất hấp dẫn của
chúng.
Linh kiện sử dụng ống nanô cacbon trong nhiều năm qua đã được
nghiên cứu, mô phỏng và một số đã được chế tạo trên thế giới. Linh kiện
transistor trường phẳng (planar Carbon NanoTube Field-Effect Transistor –
planar CNTFET) là một hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng và thu hút
được nhiều sự chú ý hiện nay vì khả năng chế tạo ra chúng nhờ các công
nghệ chế tạo vi mạch hiện hành. Hiện nay, những vấn đề tán xạ của điện tử
(tán xạ đàn hồi và tán xạ không đàn hồi) có liên quan đến các mức năng
lượng Fermi, nhiệt độ, ảnh hưởng của rào thế do tiếp xúc kim loại, bán
dẫn đang được các nhà khoa học tiến hành khảo sát và mô phỏng.
Luận văn đi sâu vào việc sử dụng ống nanô cacbon đơn tường (Single
Walled Nanotube-SWNT), làm kênh dẫn cho CNTFET phẳng. Mục tiêu của
luận văn là mô hình hóa và mô phỏng ba chiều một số đặc tính về dòng và
thế của CNTFET dưới tác động của tán xạ phonon cùng với những yếu tố
như chiều dài, độ rộng của CNT tường đơn, độ dày cổng Một số phương
thức giải quyết vấn đề về vận chuyển lượng tử hao phí trong CNTFET phẳng
sử dụng thuật toán hàm Green không cân bằng được giới thiệu chi tiết, trong
đó có quá trình tán xạ qua trung gian là các phonon âm (acoustic phonon
(AP)), phonon quang (optical (OP)).
Kết quả mô phỏng cho CNTFET loại zigzag bán dẫn như zigzag
(16,0), (19,0) và (22,0) . sẽ hữu ích cho dải đường kính đang được nghiên
cứu để có thể ứng dụng vào thực nghiệm.
XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG BA CHIỀU
TÁN XẠ PHONON TRONG CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA CNTFET PHẲNG
2
Luận văn có cấu trúc được sắp xếp theo trình tự như sau:
Mở đầu
Phần 1: TỔNG QUAN
Chương 1: Tổng quan về ống nano cacbon
Chương 2: Công nghệ chế tạo transistor trường ống nano cacbon
Chương 3: Mô phỏng tán xạ phonon cho CNTFET phẳng sử dụng
thuật toán hàm Green không cân bằng (NEGF)
Phần 2: THUẬT TOÁN VÀ MÔ PHỎNG
Chương 4: Xây dựng mô hình và thuật toán mô phỏng với Matlab 7.0
Chương 5: Phân tích kết quả mô phỏng
Kết luận
Tài liệu tham khảo
Phụ lục code Matlab.


ii
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn i
Mục lục ii
Danh mục các bảng . v
Danh mục các hình vẽ vi
Danh mục các kí tự và từ viết tắt xi
MỞ ĐẦU . 1
PHẦN 1: TỔNG QUAN
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ỐNG NANÔ CACBON 3
1.1. Lịch sử của ống nanô cacbon 3
1.2. Cấu trúc nguyên tử 3
1.3. Công nghệ chế tạo ống nanô cacbon hiện hành 12
Chương 2: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO TRANSISTOR TRƯỜNG ỐNG NANÔ
CACBON . 14
2.1. Giới thiệu transistor hiệu ứng trường ống nanô cacbon 14
2.2. Cấu trúc hình học của CNTFET 16
2.2.1. Cấu trúc hình học của CNTFET phẳng . 16
2.2.2. Cấu trúc hình học của CNTFET đồng trục 17
2.3. Các loại CNTFET 17
2.3.1. Transistor hiệu ứng trường ống nanô cacbon cổng sau . 18
2.3.2. Transistor hiệu ứng trường ống nanô cacbon cổng đỉnh . 20
2.3.3. Các loại CNTFET khác . 23
iii
2.3.3.1. CNTFET loại n và CNTFET lưỡng cực 23
2.3.3.2. CNTFET đa tường . 25
2.3.3.3. CNTFET trục đứng . 26
2.4. Chế tạo CNTFET cổng đỉnh phẳng như thế nào . 28
Chương 3: MÔ PHỎNG TÁN XẠ PHONON CHO CNTFET PHẲNG SỬ
DỤNG THUẬT TOÁN HÀM GREEN KHÔNG CÂN BẰNG
(NEGF) 30
3.1. Công thức cho hàm Green không cân bằng . 30
3.2. Mô phỏng SWNT-FET trong miền không gian thực . 32
3.3. Mô phỏng SWNT-FET trong miền không gian chuẩn . 33
3.3.1. Đặc trưng linh kiện ở giới hạn đạn đạo . 34
3.3.2. Thuật toán NEGF cho tán xạ phonon trong CNTFET 36
3.3.3. Phương trình Poisson 40
3.3.4. Tán xạ điện tử - phonon 41
3.3.5. Một số phương pháp giải bài toán vận chuyển có hao phí 42
3.3.5.1. Xử lý tán xạ phonon quang (OP) . 42
3.3.5.2. Xử lý tán xạ phonon âm (AP) 43
PHẦN 2: THUẬT TOÁN VÀ MÔ PHỎNG
Chương 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THUẬT TOÁN MÔ PHỎNG VỚI
MATLAB 7.0 46
4.1. Mô hình toán học sử dụng trong mô phỏng CNTFET phẳng . 46
4.2. Cấu trúc thuật toán mô phỏng 3D với MATLAB . 48
4.2.1. Sơ đồ thuật giải sử dụng trong mô phỏng CNTFET phẳng . 48
4.2.2. Thuật toán mô phỏng 2D, 3D đặc trưng dòng thế 50
iv
Chương 5: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG . 53
5.1. Mô phỏng CNTFET phẳng ở giới hạn đạn đạo . 53
5.1.1. Mô hình CNTFET phẳng . 53
5.1.2. Màn hình chính của CNTFET phẳng . 53
5.1.3. Mô phỏng đặc trưng dòng thế của CNTFET phẳng ở giới hạn đạn
đạo 56
5.1.3.1. Trong không gian hai chiều (2D) . 56
5.1.3.2. Trong không gian ba chiều (3D) 60
5.2. Mô phỏng CNTFET phẳng có tán xạ phonon . 64
5.2.1. Trong không gian hai chiều (2D) . 64
5.2.2. Tán xạ phonon trong không gian ba chiều (3D) . 66
KẾT LUẬN 73
Tài liệu tham khảo 75
Phụ lục code Matlab . 80