Nghiên cứu tính chất dẫn điện của hệ bán dẫn thấp chiều

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆPNGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT DẪN ĐIỆN CỦA HỆ BÁN DẪN THẤP CHIỀUĐỀ TÀI:SV Thực hiện : Trần Văn DuyGV hướng dẫn : Th.S Nguyễn Thị ThuỷMỞ ĐẦULý do chọn đề tài: Bước sang thế kỷ XXI, các nước trên thế giới đang tích cực nghiên cứu và chuẩn bị cho sự ra đời của một lĩnh vực khoa học công nghệ mới, đó là công nghệ nano. Khi nghiên cứu hệ bán dẫn cấu trúc thấp chiều, cụ thể là cấu trúc một chiều và không chiều, các nhà khoa học đã phát hiện ra nhiều tính chất đặc biệt và hữu dụng của loại vật liệu này. Đặc biệt là tính chất dẫn điện của hệ hoàn toàn khác so với vật liệu khối cùng loại.2. Nội dụng nghiên cứuTìm hiểu về các hệ bán dẫn thấp chiều.Tính chất dẫn điện của hệ bán dẫn thấp chiều.Một số phương pháp chế tạo bán dẫn thấp chiều.Một số ứng dụng của các hệ bán dẫn thấp chiều: Hệ một chiều và hệ không chiều.3. Mục đích nghiên cứuHiểu và nắm được cấu trúc điện tử và tính chất dẫn điện của hệ bán dẫn một chiều và không chiều, tìm hiểu một số phương pháp chế tạo bán dẫn thấp chiều.MỞ ĐẦUNỘI DUNGCHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ CÁC HỆ BÁN DẪN THẤP CHIỀUCHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT CỦA HỆ BÁN DẪN THẤP CHIỀUCHƯƠNG 3: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO BÁN DẪN THẤP CHIỀU VÀ ỨNG DỤNG Hệ bán dẫn hấp chiều là các hệ bán dẫn có cấu trúc không gian bị hạn chế theo một, hai hoặc ba chiều mà kích thước có thể so được với bước sóng De Broglie. CHƯƠNG 1: SƠ LƯỢC VỀ CÁC HỆ BÁN DẪN THẤP CHIỀU Hệ bán dẫn thấp chiều được chia làm các dạng sau:Sự thay đổi năng lượng vùng cấmCHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT CỦA HỆ BÁN DẪN THẤP CHIỀU2.1. Cấu trúc và tính chất điện các hệ thấp chiều 2.1.1. Hệ một chiều(2.1)Giải phương trình Schrödinger ta có năng lượngMật độ trạng thái(2.5)Khi ε > εi,jKhi ε < εi,j(2.6)Chú ý rằng mật độ trạng thái phân kì là (ε – εi,j)-1/2 tại mỗi ngưỡng vùng con. Chúng được gọi là điểm kì dị Van Hove và ảnh hưởng đến tích chất điện và quang học của hệ 1D. Các đỉnh được quan sát khi ánh sáng phát xạ và hấp thụ đồng thời phù hợp với năng lượng giữa điểm kì dị Van Hove thứ nhất và thứ hai tương ứng. Một kênh truyền 1D có dòng điện giới hạn bởi một điện áp được đặt trên hai đầu của nó. Do đó nó có một độ dẫn điện giới hạn ngay cả khi không có sự tán xạ trong dây. 2.1.1. Hệ một chiềub. Dẫn điện trong hệ một chiềuDòng điện chạy qua kênh truyền do vượt quá dịch chuyển bên phải mang mật độ Δn là(2.8)Độ dẫn điện I/V và điện trở V/I hai đầu cuối như sau (2.9) Sự lượng tử hóa của độ dẫn điện được minh họa một cách đáng kể trong qua các dữ liệu trong hình 2.5.(2.10) Đây là công thức thường được gọi là côg thức Landauer. Nếu kênh được dẫn không hoàn toàn, độ dẫn nói chung là dẫn lượng tử nhiều lần, xác suất để truyền điện tử qua các kênh (hình 2.4): Đối với một hệ bán 1D với nhiều kênh truyền, chúng ta lấy tổng đóng góp của mỗi kênh, từ độ dẫn điện thêm vào mắc song song:(2.11) Từ công thức Landauer (2.10) chúng ta viết lại trở kháng cho trường hợp một kênh theo cách sau:(2.13) Xét hai rào cản trong chuỗi cách nhau một khoảng L, với biên độ truyền và phản xạ t1, r1 và t2, r2 như biểu diễn trong hình 2.6. (2.14) Với một sóng tới từ bên trái có biên độ là 1, biên độ được xác định trong hình 2.6 được cho bởi(2.15) Xác suất truyền qua cặp rào cản là như sau(2.17)Xác suất truyền qua (2.17) được tăng lên rất nhiều khi tiến đến một, bởi vì mẫu số trở nên nhỏ. Điều này xảy ra với điều kiện cộng hưởngHai rào cản trong loạt cộng hưởng đường hầm (2.18)Xem xét các trường hợp đặc biệt ở đó các rào cản là giống nhau: t1 = t2. Chúng ta có sau(2.20)Xác suất truyền dẫn trên công hưởng thông qua một cấu trúc hai rào cản đối xứng là 1, ngay cả khi truyền dẫn qua từng rào cản riêng lẻ là bé. Đây được gọi là cộng hưởng đường hầm. Bây giờ xét khi hai rào cản được nối tiếp, nhưng sự gắn kết là không được bỏ qua, với một dây dẫn dài có chiều dài L chỉ gồm một loạt các tán xạ đàn hồi đặc trưng bởi một tán xạ ngược đàn hồi chiều dài Điện trở trung bình:(2.30)Đáng chú ý, điện trở tăng lên theo cấp số nhân với chiều dài của mẫu, chứ không phải là tuyến tính. Đây là kết quả của sự định sứ do sự giao thoa giữa lượng tử giữa các trạng thái phân tán rối loạn.  2.1.1. Hệ không chiềua. Cấu trúc điện tử Một ví dụ đơn giản, xét một electron trong một giếng thế hình cầu. Do sự đối xứng cầu, các Hamilton chia tách thành các phần góc cạnh và xuyên tâm cho trạng thái riêng và năng lượng riêng:(2.37) Các mức năng lượng và hàm sóng hài phụ thuộc vào các chi tiết của thế giam giữ riêng biệt. Đối với một giếng vô hạn hình cầu, ở đó V = 0 với r < R (2.38) Các trạng thái tích điện rời rạc Trong gần đúng thomas-Fermi, điện thế cho thêm điện tử thứ (N +1) để một chấm có chứa N điện tử được cho bởi:(2.47)Trong trường hợp này, chúng ta có thể mô tả các tương tác tĩnh điện và về điện dung:(2.48)Điện áp cổng phụ ΔVg cần thiết để thêm một điện tử nhiều hơn từ một hồ chứa cố định là, từ (2.47),Một ứng dụng cơ bản của định luật Gauss đưa ra cho các điện dung và do đó năng lượng tích điện:Điện tích cư trú trên các chấm ở một thời điểm δt = RC, với R là điện trở chui hầm đến các điện cực. Từ nguyên lý bất định, mức năng lượng sẽ được mở rộng bởi(2.49)(2.50)(2.51)2.1.1. Hệ không chiềub. Dẫn điện trong hệ không chiều Dao động cu-lông Spin, tính cách điên Mott và hiệu ứng Kondo (2.55)Cooper trong chấm siêu dẫn 3.1. Một số phương pháp chế bán dẫn thấp chiều3.1.1. Phương pháp từ trên xuốngCHƯƠNG 3: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO BÁN DẪN THẤP CHIỀU VÀ ỨNG DỤNGKỹ thuật in thạch bản có thể được chia thành hai nhóm chính:1. Phương pháp sử dụng một mặt nạ vật lý, hay được gọi là mặt nạ in thạch bản, trong đó quang khắc là sử dụng nhiều nhất. 2. Phương pháp sử dụng mặt nạ phần mềm được gọi chung là quét in thạch bản.Quét đầu dò in thạch bảnIn thạch bản mền3.1.2. Phương pháp từ dưới lênDưới lên phương pháp có thể được chia thành phương pháp pha khí và chất pha lỏng. Trong cả hai trường hợp, các vật liệu nano được chế tạo thông qua một con đường chế tạo điều khiển bắt đầu từ các nguyên tử hoặc phân tử:Phương pháp pha khí: chúng bao gồm phóng điện hồ quang plasma và tụ hơi hóa học.Pha lỏng: phương pháp có uy tín nhất là tổng hợp sol-gel; phân tử tự lắp ráp đang nổi lên như một phương pháp mới.Công nghệ nano DNA3.2. Một số ứng dụng của hệ các bán dẫn thấp chiềuTransistor một điện tử (SET)Ứng dụngĐiện kế siêu nhạy Phát hiện bức xạ hồng ngoại Lập trình logic Transistor một điện tử Logic vùng điện áp Lazer bán dẫn dựa trên cấu trúc nano một chiềucác thầy côCám ơnđã theo dõi!