KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT DẪN ĐIỆN CỦA HỆ BÁN DẪN THẤP CHIỀU SV Thực : Trần Văn Duy GV hướng dẫn : Th.S Nguyễn Thị Thuỷ MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Bước sang kỷ XXI, nước giới tích cực nghiên cứu chuẩn bị cho đời lĩnh vực khoa học công nghệ mới, công nghệ nano Khi nghiên cứu hệ bán dẫn cấu trúc thấp chiều, cụ thể cấu trúc chiều không chiều, nhà khoa học phát nhiều tính chất đặc biệt hữu dụng loại vật liệu Đặc biệt tính chất dẫn điện hệ hoàn toàn khác so với vật liệu khối loại MỞ ĐẦU Nội dụng nghiên cứu • Tìm hiểu hệ bán dẫn thấp chiều • Tính chất dẫn điện hệ bán dẫn thấp chiều • Một số phương pháp chế tạo bán dẫn thấp chiều • Một số ứng dụng hệ bán dẫn thấp chiều: Hệ chiều hệ không chiều Mục đích nghiên cứu Hiểu nắm cấu trúc điện tử tính chất dẫn điện hệ bán dẫn chiều không chiều, tìm hiểu số phương pháp chế tạo bán dẫn thấp chiều NỘI DUNG CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ CÁC HỆ BÁN DẪN THẤP CHIỀU CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT CỦA HỆ BÁN DẪN THẤP CHIỀU CHƯƠNG 3: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO BÁN DẪN THẤP CHIỀU VÀ ỨNG DỤNG CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ CÁC HỆ BÁN DẪN THẤP CHIỀU Hệ bán chia dạng bándẫn dẫnthấp hấpchiều chiềuđược hệlàm báncác dẫn có cấu sau: không gian bị hạn chế theo một, hai ba chiều trúc mà kích thước so với bước sóng De Broglie Sự thay đổi lượng vùng cấm CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT CỦA HỆ BÁN DẪN THẤP CHIỀU 2.1 Cấu trúc tính chất điện hệ thấp chiều 2.1.1 Hệ chiều    i , j   k / 2m;  ( x, y, z )  i , j ( y, z )eikz Giải phương trình Schrödinger ta có lượng  2  2m  nx2 n y2   k      Lx Ly  2m (2.1) Mật độ trạng thái dN i , j dk me L 4L Di , j ( )      z  , dk d  2  2(   i , j ) hvi , j Khi ε > εi,j (2.5) Di , j ( )  0, Khi ε < εi,j (2.6) Chú ý mật độ trạng thái phân kì (ε – εi,j)-1/2 ngưỡng vùng Chúng gọi điểm kì dị Van Hove ảnh hưởng đến tích chất điện quang học hệ 1D Các đỉnh quan sát ánh sáng phát xạ hấp thụ đồng thời phù hợp với lượng điểm kì dị Van Hove thứ thứ hai tương ứng 2.1.1 Hệ Dòng điện chạychiều qua kênh truyền vượt dịch chuyển bênDẫn phảiđiện mang mật hệ độ Δn b mộtlàchiều DR    qV 2 2e  nqv  qv  điện vq V giới  hạn V , (2.8) MộtIkênh truyền 1D có dòng điện L hv h áp đặt haiđiện đầu trở củaV/I nó.hai Dođầu cuối cónhư Độđược dẫn điện I/V sauđộ dẫn điện 2 R  h / e  12906 k G  e / h ; Q tán xạ giới hạn ngayQ dây (2.9) Hai cảncản loạtchuỗi cộngcách hưởng đường Xét rào hai rào hầm khoảng L, với biên độ truyền phản xạ t1, r1 t2, r2 biểu diễn hình 2.6 itj rj  rj e tj  tj e ; i rj (2.14) Với sóng tới từ bên trái có biên độ 1, biên độ xác định hình 2.6 cho c  at ei /2 ; Xác suất truyền qua cặp rào cản sau b  ar2 ei ; a  t1  r1b; t1 t2  c  2 (2.15)  r1 r2  r1 r2 cos  *  (2.17) Mà  *  2kL   r1   r Xác suất truyền qua (2.17) tăng lên nhiều cos( * ) tiến đến một, mẫu số trở nên nhỏ Điều xảy với điều kiện cộng hưởng    2kL   r1   r  2 n, (2.18) Xem xét trường hợp đặc biệt rào cản giống nhau: t1 = t2 Chúng ta có sau    2 n   t1  2 1  r   (2.20) Xác suất truyền dẫn công hưởng thông qua cấu trúc hai rào cản đối xứng 1, truyền dẫn qua rào cản riêng lẻ bé Đây gọi cộng hưởng đường hầm Bây xét hai rào cản nối tiếp, gắn kết không bỏ qua, với dây dẫn dài có chiều dài L gồm loạt tán xạ đàn hồi đặc trưng tán xạ ngược đàn hồi chiều dài ℓ Điện trở trung bình: R  h exp(2 L /  e ) 2e (2.30) Đáng ý, điện trở tăng lên theo cấp số nhân với chiều dài mẫu, tuyến tính Đây kết định sứ giao thoa lượng tử trạng thái phân tán rối loạn 2.1.1 Hệ không chiều a Cấu trúc điện tử Một ví dụ đơn giản, xét electron giếng hình cầu Do đối xứng cầu, Hamilton chia tách thành phần góc cạnh xuyên tâm cho trạng thái riêng lượng riêng:  n , l , m   n ,l ;   r , ,    Yl , m  ,   Rn ,l  r  , (2.37) Các mức lượng hàm sóng hài phụ thuộc vào chi tiết giam giữ riêng biệt Đối với giếng vô hạn hình cầu, V = với r < R  n ,l    n2,l /  2m R  , Rn ,l  r   jl   n ,l r / R  , r  R (2.38) Các trạng thái tích điện rời rạc Trong gần thomas-Fermi, điện cho thêm điện tử thứ (N +1) để chấm có chứa N điện tử cho bởi:  N 1   N 1  e   N 1  NU   eVg , (2.47) Trong trường hợp này, mô tả tương tác tĩnh điện điện dung: U  e2 C   Cg C , (2.48) Điện áp cổng phụ ΔVg cần thiết để thêm điện tử nhiều từ hồ chứa cố định là, từ (2.47), Vg  1  e    N 1   N  e C  (2.49) Một ứng dụng định luật Gauss đưa cho điện dung lượng tích điện: e2 d U 4 0 R R  d (2.50) Điện tích cư trú chấm thời điểm δt = RC, với R điện trở chui hầm đến điện cực Từ nguyên lý bất định, mức lượng mở rộng   h /  t  h / RC   e / C  h / e  / R (2.51) 2.1.1 Hệ không chiều b Dẫn điện hệ không chiều Dao động cu-lông Spin, tính cách điên Mott hiệu ứng Kondo TK  (U )1/ exp  (  U ) / (U )  (2.55) Cooper chấm siêu dẫn Kỹ thuật in có PHƯƠNG thể chiaPHÁP thành hai nhóm CHƯƠNG 3: thạch MỘTbản SỐ CHẾ TẠO chính:DẪN THẤP CHIỀU VÀ ỨNG DỤNG BÁN Phương pháp sửpháp dụngchế mộtbán mặtdẫn nạ vật lý,chiều hay gọi 3.1.1.Một số phương thấp mặtPhương nạ in thạch quang khắc sử dụng 3.1.1 pháp bản, từ xuống nhiều Phương pháp sử dụng mặt nạ phần mềm gọi chung quét in thạch Quét đầu dò in thạch In thạch mền 3.1.2 Phương pháp từ lên Dưới lên phương pháp chia thành phương pháp pha khí chất pha lỏng Trong hai trường hợp, vật liệu nano chế tạo thông qua đường chế tạo điều khiển nguyên tử phân tử:  Phương pháp pha khí: chúng bao gồm phóng điện hồ quang plasma tụ hóa học  Pha lỏng: phương pháp có uy tín tổng hợp sol- gel; phân tử tự lắp ráp lên phương pháp Công nghệ nano DNA 3.2 Một số ứng dụng hệ bán dẫn thấp chiều Transistor điện tử (SET) Ứng dụng  Điện kế siêu nhạy  Phát xạ hồng ngoại  Lập trình logic Transistor điện tử  Logic vùng điện áp Lazer bán dẫn dựa cấu trúc nano chiều