Báo cáo Công nghệ điện tử Nano

hố thế với xác suất tăng vọt. Nếu trong hố thế không tồn tại mức năng lượng nào bằng với năng lượng của electron thì electron đó không thể vượt qua rào thế để vào trong hố thế. Điều chỉnh các mức lượng tử trong hố thế lên xuống, ta có thể điều khiển quá trình xuyên hầm của các electron. 2. Hiệu ứng khoá Coulomb Xét hai điện cực tích điện q1, q2 và cách nhau một khoảng 100nm - khoảng cách đủ nhỏ để hiện tượng xuyên hầm có thể xảy ra. Cả hệ thống được đặt trong môi trường chân không và ở gần 0oK. ở điều kiện như vậy, hệ có năng lượng nhỏ nhất và phụ thuộc vào độ chênh lệch điện tích giữa hai cực. Nếu ban đầu điện tích ở hai cực là bằng nhau thì theo định luật bảo toàn năng lượng, electron không thể di chuyển từ cực bên trái sang cực bên phải. Ta nói đó là khoá Coulomb. Nhưng khi có sự chênh lệch điện tích giữa hai cực, giả sử q1=-e/2 và q2=e/2, thì sẽ có duy nhất một electron chuyển từ cực bên trái sang cực bên phải. Nếu giả sử có thêm 1 electron nữa xuyên hầm từ cực bên trái sang cực bên phải thì hiệu điện tích /q1-q2/ giữa hai cực sau đó sẽ tăng, nên tổng năng lượng của toàn hệ tăng và không còn ở trạng thái ổn định nữa. Do đó chỉ có thể có 1 electron duy nhất xuyên hầm giữa hai điện cực. Như vậy ta hoàn toàn có thể chuyển dịch từng electron giữa hai cực bằng cách điều khiển chính xác điện tích trên hai cực. 2.2 Ống nano các bon (carbon nanotubes- CNTs) Ống nano carbon do Sumio Lijima của phòng thí nghiệm Nec Tdukuba phát hiện vào năm 1991. CNT có thể xem như một dải băng cắt từ mặt phẳng grafit (được gọi là graphen) và được cuộn thành hình trụ liền rỗng. Hình 2-8 Ống nano: a) SWNT; b) MWNT Có hai loại ống nano carbon: Ống nano đơn thành (SWNT) Ống nano đa thành (MWNT) bao gồm nhiều hình trụ được lồng chặt vào nhau. Các ống nano đơn thành (Single-walled carbon nanotubes- SWNTs) bao gồm một lớp Graphen là ứng cử đặc biệt cho sự phát triển ứng dụng điện tử nano do thuận lợi về tỷ lệ và những đặc tính điện hiếm có của nó. Các đặc tính điện của SWNT là độ nhạy rõ rệt của nó với môi trường xung quanh các vỏ cacbon, và từ đó không gian bên trong và bên ngoài của SWNT có điện thế cực lớn để biến đổi các đặc tính điện của nó, mà nó chắc chắn cấu trúc được các mạch điện tinh vi cho các ứng dụng tương lai. Cấu trúc của CNT được mô tả bằng vecto chu vi hay vecto Chi, Ch biểu diễn chu vi toàn phần của ống. Nó được xác định bằng: Ch = na1 + ma2 Với : a1 và a2 là vecto đơn vị trong mạng sáu cạnh, n và m là những số nguyên. Ch định vị gọi là góc Chi là góc giữa Ch và a1. Hình 2-8 cấu trúc ống nano Cấu trúc của các dạng ống nano cacbon khác nhau được định nghĩa 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”) n¹m : 0< ө <300 cấu trúc khác (“chiral”) Các đặc tính cơ bản: - 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 khiển bằng vecto C và do đó, bằng quan hệ của n và m. Tính kim loại xuất hiện khi: n – m = 3q (q: một số nguyên ) Nếu: n-m ¹ 3q các ống nano cacbon có tính bán dẫn - Tính dẫn nhiệt: CNT là chất dẫn nhiệt rất tốt nếu xét theo chiều dọc ống nhưng nó là chất cách điện nếu xét theo chiều ngang với trục ống. Các phương pháp tổng hợp nano carbon: - Phóng điện hồ quang - Bốc hơi laser - Lắng đọng bay hơi hóa học - Kết tinh lại xâm thực Công nghệ Plasma cơ bản có khả năng tạo ra trạng thái đặc biệt mà ở đó các nguồn ống nano cacbon (carbon nanotubes-CNTs) và những vật liệu được bao bọc trong chúng chuẩn bị một cách độc lập. Trong vùng nguồn về sau, hầu hết các nguyên tử và phân tử được nạp dương hoặc âm hình thành các plasma ion phân cực khác nhau và vì vậy, tăng tốc chọn lọc về phía vùng nguồn trước với một lực tĩnh điện ngoài đặt vào giữa hai nguồn chèn vào thành chóp kết mở CNTs. Để thực hiện một cách hiệu quả các biến đổi không gian bên trong của SWNTs với phương pháp này, các SWNTs phải được sử dụng như một nguồn cho các ion tăng tốc, do tất cả các vật liệu được bao bọc chịu lực qua chỉ từ biên rìa của SWNTs thành vùng rỗng bên trong của nó nghĩa là hầu hết SWNTs đều có chỗ đứng riêng. Như đã ưu ý ở trên, tổ chức trạng thái tăng trưởng của các SWNTs riêng lẻ là vấn đề rất quan trọng không những đối với biến đổi đặc tính điện mà còn với việc tích hợp chúng trong các mạch điện ứng dụng thực tế. Hình 2-9 là ví dụ quy trình xử lý plasma phạm vi nano cho một số linh kiện điện tử nano một chiều với xếp đặt SWNTs dọc riêng rẽ (điốt, siêu dẫn, bán dẫn từ, nhôm,...) Linh kiện điện tử nano một chiều với xếp đặt SWNTs dọc riêng rẽ (điốt, siêu dẫn, bán dẫn từ, nhôm,...) Hình 2-9 xử lý plasma phạm vi nano 2.3 Điện tử phân tử và chấm lượng tử trong các linh kiện nanô 1. Điện tử phân tử Bây giờ hãy bỏ qua các hạn chế của công nghệ điện tử chất rắn. Điện tử phân tử là hướng hoàn toàn mới và là lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn. Năm 2001 tạp chí nghiên cứu tập trung vào vấn đề phân tử vào các mạch chức năng. Điện tử phân tử nghiên cứu các phân tử đơn hoặc nhóm nhỏ các phân tử mà có thể sử dụng cho những đơn vị căn bản cho máy tính (như dây, chuyển mạch, nhớ và các phần tử khuếch đại). Mục đích sử dụng các phân tử này thiết kế từ dưới lên có những đặc tính và chế độ làm việc riêng, thay thế các linh kiện điện tử chất rắn hiện tại sử dụng công nghệ in khắc từ trên xuống. Hướng từ trên xuống hiện tại sử dụng công nghiệp Si, những chi tiết nhỏ như tranzito được khắc vào trong Si nhờ cản màu và ánh sáng, nhưng nhu cầu tăng mật độ gây áp lực lớn cho nền công nghiệp. Hướng dưới lên thực hiện cấu trúc chức năng vào các chi tiết nhỏ như các phân tử với cơ hội có được phân tử tự hợp hơn nữa thành các đơn vị cấu trúc bậc cao như các tranzito. Phương pháp dưới lên hoàn toàn tự nhiên, tất cả các hệ thống trong tự nhiên đều cấu trúc từ dưới lên. Ví dụ, các phân tử có đặc tính kết hợp riêng hình thành các đơn vị cấu trúc bậc cao hơn như là các lớp lưỡng lipid. Tự hợp xa hơn, mặc dù không thể hiểu hỗn hợp tập hợp thành các tế bào và cuối cũng là thành các dạng sống cao hơn. Vì vậy, việc sử dụng xử lý tự hợp có thể dẫn đến sự gia tăng khổng lồ trong tương lai những xử lý công nghiệp, điều khiển xa hơn các tương tác mức phân tử riêng biệt. Cuối cùng, với những tiến bộ kỹ thuật đã cho, điện tử phân tử đề xuất thiết kế dưới lên sẽ hiệu quả hơn từ trên xuống và tính đa dạng cấu trúc không ngờ, dẫn đến các phân tử hiệu quả hơn, và vì vậy hướng tới chức năng tuỳ ý cho mỗi ứng dụng. các chuyển mạch phân tử đơn, trọng lượng khoảng 450g được tổng hợp trong các lò phản ứng nhỏ (khuôn 22-L phải đủ cho hầu hết các bước tổng hợp), gồm 6x1023 phân tử-số lượng lớn hơn tất cả các tranzito đã làm. Trong khi, chúng ta không mong đợi xây dựng một mạch mà trong đó mỗi phân tử đơn có cả hai khả năng địa chỉ hoá và nơi nguồn cấp (ít nhất là vài thế hệ đầu). Một khối lượng cực lớn các chuyển mạch đơn trong một khối nhỏ chứng tỏ một lý do các điện tử phân tử có thể là công cụ mạnh trong sự phát triển máy tính tương lai. Điện tử phân tử tập trung vào các điện tử theo thang phân tử thay thế cho các vật liệu phân tử. Các vật liệu phân tử phân chia với các màng film hoặc các tinh thể (ví dụ như là các tranzito màng mỏng hay các điốt phát quang) gồm hàng ngàn tỷ các phân tử trên một đơn vị chức năng mà các đặc tính của nó được đo theo thang bậc vĩ mô. Điện tử thang phân tử phân chia với số ít ngàn phân tử trên một thiết bị. 2. Chấm lượng tử trong các linh kiện nanô Cấu trúc thấp chiều hình thành khi ta hạn chế không gian thành một mặt phẳng, một đường thẳng hay một điểm, tức là ta hạn chế chuyển động của các electron theo ít nhất là một hướng trong phạm vi khoảng cách cỡ bước sóng deBroglie của nó (cỡ nm). Người ta tạo ra được cấu trúc điện tử hai chiều (hay giếng thế lượng tử- quantum well) bằng cách tạo một lớp bán dẫn mỏng, phẳng, nằm kẹp giữa hai lớp bán dẫn khác có độ rộng vùng cấm lớn hơn. Các electron bị giam trong lớp mỏng ở giữa (cỡ vài lớp đơn tinh thể) và như vậy chuyển động của chúng là chuyển động hai chiều, còn sự chuyển động theo chiều thứ ba đã bị lượng tử hoá mạnh. Tiếp tục như vậy, ta có thể hình thành nên cấu trúc một chiều (quantum wire-dây lượng tử) và cấu trúc không chiều (quantum dot-chấm lượng tử). Các cấu trúc thấp chiều có nhiều tính chất mới lạ so với cấu trúc thông thường, cả về tính chất quang, điện cũng như mật độ trạng thái. Trong các linh kiện kích thước nhỏ, đặc tính cơ lượng tử của các điện tử và lỗ trống đóng vai trò đáng kể. Trong các linh kiện MOSFET, đặc tính này có thể gây ra các hiện tượng rò nguồn-máng do hiện tượng xuyên hầm. Đối với các linh kiện kích thước nhỏ, đặc tính sóng của các phần tử mang điện có điều kiện thuận lợi thể hiện, điều mà trong các linh kiện cỡ lớn không có. Các chấm lượng tử là những cấu trúc mà các phần tử mang bị nhốt lại (confined) trong tất cả 3 chiều thành chấm không chiều. Các chấm lượng tử có trên bề mặt chất bán dẫn độ rộng vùng cấm nhỏ, cạnh bán dẫn độ rộng vùng cấm lớn. Trong các trường hợp này, các phần tử mang điện hoạt động như những hạt (particle) trong một chiếc hộp được giới hạn bởi vùng lệch dải năng lượng giữa hai khối bán dẫn. Nếu kích thước chấm lớn, phân tách giữa các trạng thái cho phép là nhỏ, kích thước giảm thì phân tách tăng. Phân tách trạng thái là định lượng quan trọng. Nếu thông số này lớn hơn kB.T (kB là hằng số Boltzmann) thì các phần tử mang điện có tính chất sóng, và nó sẽ vận động tức thì. Tương tự như vậy, các hiệu ứng đơn điện tử cũng có thể thấy được trên các đảo kim loại mà ở đó năng lượng bổ sung cho điện tử lớn hơn kB.T. Vì vậy, các linh kiện đơn điện tử có thể thực hiện được trong nhiều hệ thống vật liệu khác nhau. Nếu như các linh kiện được kéo đến điểm làm việc của các điện tử đơn thì sẽ trở thành các linh kiện rất hữu dụng, sẽ giải quyết được các vấn đề về tiêu hao năng lượng. Quantum dots (QDs) là những tinh thể nano bán dẫn với kích thước từ 2-10 nm, chẳng hạn như các hệ CdSe, ZnS, ... Mỗi QD có thể chứa từ 100-1000 nguyên tử Hình 2-10 Mỗi QD có thể chứa từ 100-1000 nguyên tử QD hình thành khi những màng bán dẫn mỏng bị cong xuống bởi áp suất tạo thành do sự khác nhau về cấu trúc mạng giữa màng bán dẫn với vật liệu nó phát triển trên đó. Chỉ sự khác nhau khoảng một vài phần trăm về kích thước mạng đã tạo ra áp suất trong một lớp mạng lớn gấp mười lần áp suất ở nơi sâu nhất trong đại dương. Khi các lớp mới được đặt lên, những áp suất này sẽ làm cho lớp màng trước đó tách ra thành các chấm và bung ra theo hướng thứ 3 để thoát khỏi áp suất, hơn là là tiếp tục phát triển chống lại lực cản theo hai hướng. Đặc trưng cơ bản của QD - Năng lượng vùng cấm của QD không liên tục mà bị lượng tử hóa do hiện tượng giam hãm lượng tử (quantum confinement) Hình 2-11 Năng lượng vùng cấm của QD bị lượng tử hóa - QD càng lớn (năng lượng thấp) thì phổ huỳnh quang của nó càng đỏ và ngược lại, QD càng nhỏ thì phổ huỳnh quang càng xanh. Năng lượng vùng cấm quyết định năng lượng (và vì thế màu sắc) của phổ huỳnh quang Hình 2-12 phổ huỳnh quang của QD theo kích thước - Ngoài ra phổ huỳnh quang của QD còn phụ thuộc vào vật liệu chế tạo QD. Hình 2-13 phổ huỳnh quang của QD theo vật liệu - Đối với QD, mật độ electron chủ yếu nằm gần bề mặt. Hình 2-14 electron chủ yếu nằm gần bề mặt QD 2.4 Các linh kiện đơn điện tử Các linh kiện đơn điện tử được thể hiện theo tỷ lệ. Khái niệm đơn điện tử được dùng cho các linh kiện điều khiển các điện tử riêng biệt, các linh kiện này phải rất nhỏ. Nhỏ như thế nào? phải tạo ra và điều khiển các điện tử riêng biệt như thế nào? Những năm 1980, công nghệ chế tạo đã cho thấy rằng: có thể chế tạo các linh kiện đơn điện tử bằng cả kim loại và bán dẫn. Các linh kiện đơn điện tử phải trong một số điều kiện, nhưng nhìn chung là cấu trúc tách được các điện tử đơn không chuyển động theo dòng liên tục mà giống như các hạt riêng lẻ. Để hiểu điều này, ta xem như là một chiếc tụ điện. Khi nạp, cần có điện áp đặt vào các điện cực, cung cấp một năng lượng: (2.6) trong đó, C là điện dung của tụ, V là điện áp đặt vào, Q là điện tích nạp được: Q=CV. Bây giờ hãy tính xem, muốn nạp thêm 1 điện tử cho tụ cần năng lượng là bao nhiêu. Hãy thay Q trong công thức là e và Ec thay cho E. Với C=1pF thì với nhiệt độ trong phòng, năng lượng Ec=8x10-8eV, nhỏ hơn kB.T nhiều. Điều này cho thấy, các điện tử đến và đi khỏi tụ nó chỉ sử dụng năng lượng nhiệt mà nó chiếm đóng, vì vậy mà số lượng các điện tử nạp cho tụ không thể xác định được. Điện áp đặt vào xác định lượng trung bình các điện tử, còn số lượng chính xác từng thời điểm đến và đi khỏi tụ thay đổi theo năng lượng nhiệt. Nếu điện dung nhỏ, năng lượng nạp phải lớn, nếu lớn hơn kB.T thì các điện tử không còn đến và đi theo nhiệt năng nữa. Lúc này số các điện tử trên tụ được lượng tử hoá. Việc nạp cho tụ bằng cách nối nguồn với tụ bằng dây dẫn nên không xác định được điểm đầu và cuối tụ điện, các dây dẫn có thể làm giảm năng lượng nạp cho tụ. Vì vậy cần phải xác định không gian tụ mà các điện tử được lượng tử hoá. Vấn đề là dây dẫn có nhiều kênh dẫn mở và các điện tử có thể chuyển động từ bản cực này đến bản cực kia một cách liên tục. Việc xác định vị trí các điện tử ở bản cực nào không phải nối cực liên tục. Điều này nghĩa là phải ép dây dẫn xuống cho đến khi không còn kênh dẫn mở, các điện tử không còn chuyển động thông thường mà phải xuyên hầm. Theo Landauer, mỗi kênh dẫn có độ dẫn 2e2/h bao gồm cả spin tương đương điện trở 1/2RQ, với RQ là điện trở lượng tử (~25 kW). Nếu điện trở cao hơn RQ thì điện tử phải xuyên hầm. Tóm lại, điều khiển và tạo ra các điện tử đơn cần điện dung linh kiện đủ nhỏ để năng lượng nạp đủ lớn (lớn hơn kB.T) và nó chuyển động trong linh kiện bằng cách xuyên hầm. Điều này cần điện trở lớn hơn điện trở lượng tử. Linh kiện đơn giản nhất có hiệu ứng đơn điện tử được biểu diễn như một hộp đơn điện tử: đảo Hình 2-15 Hộp đơn điện tử Hộp đơn điện tử gồm một tụ điện tiếp giáp xuyên hầm đơn Cj ghép với đảo cách điện nối tiếp với một tụ không xuyên hầm Cs. Để có hiệu ứng đơn điện tử, điện dung tổng cộng phải cho nạp một năng lượng lớn hơn kB.T. Điện áp U đặt vào Cs sinh thế năng làm điện tử vào đảo. Năng lượng để n điện tử vào đảo sẽ là: (2.7) với Q=U.Cs là điện tích trên tụ. Năng lượng của một cấu hình gồm n+1 điện tử cư trú trên đảo có thể được tính theo công thức trên chỉ thế n bằng n+1. năng lượng của mỗi cấu hình là hàm parabol đối với U. Giả thiết có n điện tử trên đảo tại U=0, với điện áp này năng lượng nhỏ nhất coi như đất (hình 2-16a). Tại đây, không một điện tử nào được thêm vào hay lấy đi, gọi là khoá Coulomb. Hình 2-16 phân bố năng lượng và cư trú điện tử theo điện áp Khi điện áp U tăng, năng lượng của cấu hình n điện tử tăng, của cấu hình n+1 điện tử lại giảm. Khi q=1/2 e thì hai năng lượng này như nhau. Khi điện áp U tăng tiếp thì năng lượng của cấu hình n+1 điện tử giảm về giá trị thấp nhất (đất). Tại trạng thái đất, một điện tử xuyên hầm qua tụ Cj, chuyển mức cư trú (population) đảo lên n+1. Theo điện áp U quét, các cấu hình có số các điện tử khác nhau trở về năng lượng đất, các điện tử xuyên hầm qua Cj và về trạng thái đất. Cư trú các điện tử trên đảo theo hàm bậc thang đối với U (hình 2-16b). Hộp đơn điện tử để giải thích việc điều khiển các điện tử đơn nhưng còn gặp hạn chế. Trong một số các linh kiện, các sự kiện xuyên hầm đến và đi khỏi hộp phải nối thêm các thiết bị đo điện tử với đảo. Hộp đơn điện tử được mở rộng cho các linh kiện đơn điện tử, các tranzito đơn điện tử (SET). Mỗi SET sử dụng một đảo như trong hộp đơn điện tử, nhưng có tiếp giáp xuyên hầm thứ hai nối với đảo (hình 2-17): Hình 2-17 Sơ đồ tranzito đơn điện tử (SET) Cấu trúc này giống FET có 2 tải dòng và một tải áp nhưng hoạt động hoàn toàn khác. Hoạt động của SET phải trong khoá Coulomb mà trong đó điện dung tổng cộng Cl+Cg+Cr phải được nạp năng lượng lớn hơn kBT. Thực tế cần nạp năng lượng ít nhất là 4.kBT. Giống hộp đơn điện tử, năng lượng được nạp cho tụ không xuyên hầm Cg. Hai tiếp giáp xuyên hầm được nối với nguồn cấp. Thiên áp vi sai nhỏ V/2 đặt vào Cl và –V/2 vào Cr (V<<Ec/e). Giống hộp đơn điện tử, năng lượng của cấu hình gồm n điện tử trên đảo là: (2.8) trong đó, Q=Cg.U, thay đổi theo Cg. Như đã biết (hình2-9), mỗi vùng điện tử cư trú trên đảo theo quy luật parabol, theo U, năng lượng tăng với n thì lại giảm với n+1. Tại điểm giao cắt, parabol của 2 cấu hình như nhau. Một số vấn đề thú vị sẽ xảy ra. Do với một hộp, cư trú điện tử trên đảo tăng một điện tử, các đường hầm đến đảo qua tiếp giáp nối với thế -V/2. Tuy nhiên, tại điểm khi mà hai cấu hình có năng lượng như nhau, điện tử có thể không xuyên hầm qua đảo, trở về cấu hình n. Đây là lúc tiếp giáp thứ hai của SET thiết lập (play). Khi tiếp giáp Cl nói với điện thế V/2 là thuận lợi lớn cho điện tử xuyân hầm qua tiếp giáp Cl hơn là qua Cr. Điện tử không xuyên hầm qua đảo, cư trú là n, điện tử khác có thể xuyên hầm qua đảo với cấu hình n+1 khả năng như nhau (cân bằng). Chu ký lặp lại, đồng thời các điện tử xuyên hầm qua đảo qua Cr và không xuyên hầm qua đảo qua Cl. Quá trình này sinh ra dòng điện mạng, nếu xưyưn hầm tốc độ nhanh, có thể đo được dòng điện. Theo điện áp, dòng điện đo được như trên hình 2-18, thấy được các đỉnh dòng điện khoá Coulomb. Hình 2-18 Dòng điện qua SET thấy được các đỉnh khoá Coulomb Mỗi đỉnh khoá Coulomb tương ứng với điện áp cổng trong đó, hai cấu hình cư trú có khả năng cân bằng. Giữa hai đỉnh dòng điện, cư trú đảo là ổn định với một lượng điện tử trên đảo. Quan trọng là đỉnh dòng điện không phản ảnh dòng của một điện tử vào đảo mà là dòng của số lớn các điện tử qua đảo đồng thời. Do điện áp cổng đi qua đỉnh thành vùng ổn định, một điện tử qua và còn lại trên đảo. Một ứng dụng quan trọng của các SET là trong tích điện cảm ứng. Trong thực tế, SET sử dụng hầu hết để chế tạo các máy đo điện tử độ nhạy rất cao khoảng 3. 10-6 điện tử/ sqrt (đơn vị điện tích) (Hz). Các máy đo này siêu nhạy là do dòng điện qua SET ảnh hưởng mạnh vào điện thế của đảo. Bất kỳ một thay đổi điện thế của đảo gây bởi thay đổi nhỏ điện thế lân cận như là tăng chấm hoặc mất điện tử đều sinh ra thay đổi lớn về dòng điện qua SET. Hình 2-19 Mạch ghép chấm lượng tử với máy đo điện tử SET và một đỉnh dòng điện Hình 2-19 là sơ đồ ghép điện dung một chấm Dot với SET và một đỉnh dòng điện khoá Coulmb chứng minh hoạt động của máy đo. Điện áp đặt vào điện cực cổng khi thiên áp cấp cho SET đạt giá trị P, sườn trái của đỉnh dòng điện và giữ không đổi. Sự thay đổi bất kỳ môi trường tính điện của máy đo, tương tự thay đổi điện áp cổng, dẫn tới thay đổi dòng điện. Ví dụ, một điện tử thâm nhập vào chẩm Dot sẽ làm điện thế giảm và vì vậy mà thông qua Cc dòng qua SET giảm xuống điểm P’. Dòng thay đổi DI, tương ứng điện áp thay đổi DU, từ đỉnh khoá Coulomb, điện tích nạp cho Dot tính được là: (2.9) trong đó VPeriod là mức thay đổi điện áp U để có thêm một điện tử và DU là mức thay đổi tương đương điện thế cổng gây bởi điện thế Dot. Đỉnh nhọn cho độ nhạy lớn nhất ứng với mức thay đổi lớn điện tích trên Dot gây ra sự thay đổi lớn dòng điện. Các dụng cụ (linh kiện) đơn điện tử là ứng cử viên lý tưởng cho lôgic số. SET là một linh kiện 3 điện cực, khi vượt quá một dải điện áp nào đó sẽ làm việc như tranzito bình thường có thể khuếch đại công suất. Các SET có thể sử dụng thực hiện các cổng lôgic; tuy nhiên, các linh kiện này đối mặt với một vấn đề là tiêu hao năng lượng. Như đã biết, trong vùng độ dẫn cao có nhiều điện tử chạy qua. Khi cấp điện áp, có tiêu hao năng lượng, hệ thống mà có độ tích hợp cao thì tiêu hao năng lượng rẩt lớn. Có thể thấy vấn đề này như sau. Công suất tiêu thụ theo đơn vị diện tích được tính như sau: (2.10) với V là điện áp, Q là điện tích nạp từ điện áp nguồn cấp với đất theo từng chu kỳ, f là tần số, N là số linh kiện và A là diện tích. Hãy thử cho các giá trị: V = 0.25 V, Q = 1 e, f = 1 THz, and N/A = 5 × 1011 linh kiện/cm2, công suất này có thể đạt 20 000 W/cm2! trong khi năng lượng phản ứng hạt nhân thường chỉ 200W/cm2. Ngày nay, năng lượng giới hạn mát cho chip khoảng 100W/cm2. Theo tính toán đơn giản, vấn đề tiêu hao năng lượng của tranzito đơn điện tử khó giải quyết. Một linh kiện bất kỳ sử dụng như một chuyển mạch thông thường, nạp điện tích nhờ điện áp xuống đất ở tốc độ đầy đủ thường tiêu hao năng lượng lớn. Có thể giảm tiêu hao năng lượng bằng cách không cho dòng qua linh kiện ở mọi chu kỳ xung nhịp. Có thể quản lý năng lượng xâm lấn bằng cách như: cắt dòng một số vùng không sử dụng trong chíp. Nhiều vùng chip có thể lưu trữ vào các bộ nhớ tiêu hao năng lượng thấp, hoặc có thể sử dụng xử lý đa lõi trong đó từng lõi có xung nhịp tần số thấp hơn. Tiêu hao năng lượng và nhiệt năng là vấn hạn chế đối với mật độ. Có thể giải quyết được vấn đề nếu sử dụng các mẫu chuyển mạch là FET như: finFET, ống nano các bon hoặc dây nano. Tuy nhiên chỉ áp dụng cho các mẫu chuyển mạch dòng điện. Transistor đơn điện tử loại FET cũng có cấu tạo 3 cực như MOSFET (G: Gate-cực cửa; D: Drain-cực máng; S: Source-cực nguồn). Mô hình và mạch điện tương đương của SET được miêu tả ở hình 2-20. Hình 2-20 Mô hình và mạch điện tương đương của FET đơn điện tử Cấu tạo của FET đơn điện tử gồm có: - Một giếng lượng tử được tạo bởi 2 tiếp giáp đường hầm (tunnel junction) nối tiếp với nhau bằng một Island (đảo) ở giữa, cực cửa G được gắn trực tiếp vào lớp này. - FET đơn điện tử có thể được sử dụng như một chuyển mạch được điều chỉnh bằng điện áp đặt lên cực G. - FET đơn điện tử có khả năng giam giữ một hoặc vài electron tuỳ vào điện áp điều khiển. Hoạt động của FET đơn điện tử dựa trên hai hiệu ứng vật lý “xuyên hầm lượng tử” và “khoá Colomb”. Hình 2-21 Hoạt động của FET đơn điện tử Trong giếng thế tồn tại các mức năng lượng đã bị lượng tử hoá. Như trên hình 2-21 ta thấy khi thay đổi Vgate có thể dịch chuyển các mức năng lượng trong giếng thế lên và xuống. Khi nào có một mức năng lượng trong giếng thế trùng với mức thế năng của cực S thì có một electron sẽ xuyên hầm qua hàng rào thế thứ nhất vào vùng đảo island. Tiếp đó, do điện áp vùng đảo island giảm xuống nên mức năng lượng mà chứa electron sẽ hạ xuống cho đến khi bằng với mức thế năng của cực D thì electron đó sẽ chuyển sang cực D. Như vậy, từng electron sẽ được chuyển từ cực nguồn sang cực máng dưới sự điều khiển của Vgate. 2.5 Phần tử tự động tế bào chấm lượng tử (Quantum-Dot Cellular Automata_QCA) 2.5.1 Khái niệm QCA QCA là mẫu mới, có thể giải quyết được vấn đề tiêu hao năng lượng. Điểm chốt là mã hoá thông tin cho một cấu hình điện tích mà trong đó, điện tích không nạp bằng điện áp với đất. QCA dùng các mảng ghép các chấm lượng tử Dot, thực hiện các hàm lôgic Boole, có lợi thế là mật độ đóng gói cực cao do kích thước chấm lượng tử rất nhỏ, kết nối đơn giản và trễ năng lượng rất thấp. Tế bào QCA cơ bản gồm 4 chấm lượng tử Dot trong một mảng vuông ghép bởi hàng rào đường hầm. Ở đây, một chấm lượng tử Dot có thể chứa một điện tử bất kỳ, các điện tử có khả năng xuyên hầm giữa các Dot, nhưng không thể rời khỏi tế bào. Nếu có hai điện tử trong một tế bào thì do lực đẩy Coulomb, đẩy các điện tử về hai góc, sẽ có hai phân cực trạng thái đất có thể ký hiệu lôgic 0 và 1 (hình 2-22). Hình 2-22 Hai phân cực trạng thái đất của tế bào QCA 4dot cơ bản. Nếu đặt hai tế bào gần nhau, lực tương tác Coulomb giữa các điện tử sẽ làm cho các tế bào có cùng phân cực. Nếu phân cực của một tế bào thay đổi dần từ trạng thái này sang trạng thái kia, tế bào thứ hai sẽ chuyển đột biến sang phân cực lưỡng ổn. Hình 2-23 là một số ví dụ mảng QCA. Hình 2-23 a)Dây tế bào QCA, b)bộ đảo QCA, c)Cổng đầu vào phức hợp Hình 2-23a là dây tế bào, các tế bào có khả năng ghép với tế bào lân cận thành dây. Trạng thái đất của dây là tất cả các tế bào có cùng phân cực. Trường hợp này, các điện tử luôn dãn rộng ra, năng lượng là thấp nhất. Để mô tả hoạt động của QCA, ta hãy bắt đầu bằng trường hợp đơn giản nhất là chuyển mạch dốc (abrupt). Đầu vào bên trái, ngắt suy biến trạng thái đất tế bào thứ nhất, đẩy nó tới một phân cực. Tế bào thứ nhất và thứ hai có phân cực đối nhau, hai điện tử gần nhau, dây ở mức năng lượng cao. Vi sai giữa năng lượng trạng thái này với trạng thái đất gọi là năng lượng xoắn (kink) là năng lượng đặc trưng của hệ thống QCA. Đó là năng lượng cần để hai tế bào lân cận có phân cực đối nhau. Điều này xảy ra khi có đầu vào của dây, đồng thời cũng xảy ra khi dây có lỗi. Nếu có năng lượng ngoài như nhiệt năng gần bằng năng lượng xoắn, các lỗi xuất hiện trong hệ thống QCA, vì vậy mà năng lượng xoắn cần phải lớn hơn kBT. Khi năng lượng xoắn thấp hơn năng lượng nạp, hệ QCA cần nhiệt độ thấp hơn SET cùng một công nghệ. Quay lại với chuyển mạch dốc của đường dây QCA, sau khi tế bào thứ nhất của đường dây được chuyển mạch, tất cả các tế bào sau bị đẩy phân cực về trạng thái đất mới của đường dây. Đưa lôgic 1 vào dây tế bào, lấy ra lôgic 1 nên dây tế bào còn gọi là dây nhị phân. Với bộ đảo hay NOT (hình 2-23b). Trước hết, đầu vào được tách thành hai đường dây sau đó lại chập thành một tại tế bào xoay