Основы наноэлектроники и нанотехнологий. Наноэлектроника. (Лекция 2)

1.

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
Bauman Moscow State Technical University
1
Б е л и к ов А н д р е й И в а н ов и ч , к . т. н . , д о ц е н т
к а ф е д р а М Т - 11 " Эл е к т р о н н ы е т ех н о л о г и и в м а ш и н о с т р о е н и и "
Основы наноэлектроники и
нанотехнологий
Москва, 2014

2. НАНОЭЛЕКТРОНИКА, лекция №2

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
НАНОЭЛЕКТРОНИКА, лекция №2
2
Наноэлектроника – область электроники, изучающая
распространение информационного сигнала в веществе
носителями, имеющими электронную природу, под
воздействием различных полей, и разрабатывающая
принципы создания на этой основе приборов с
топологическими размерами менее 100 нм.
2000 г. – преодоление
размера 100 нм.

3. НАНОЭЛЕКТРОНИКА

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
НАНОЭЛЕКТРОНИКА
3
ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ОСНОВЕ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ:
1. Квантовые ограничения.
2. Туннельные эффекты.
3. Баллистический транспорт.
4. Спиновые эффекты.

4. НАНОЭЛЕКТРОНИКА

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
НАНОЭЛЕКТРОНИКА
4
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ СОДАНИЯ
И РАЗВИТИЯ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
1. Открытие углеродных нанотрубок и графена,
разработка методов их формирования.
2. Разработка зондовых методов по-атомной сборки.
3. Появление спинтроники. Использование спинов в
качестве носителей информации.
4. Создание транзисторов на гетеропереходах.
5. Открытие квантового эффекта кулоновской блокады,
создание одноэлектронных устройств,
работоспособных при комнатных температурах.
6. Появление молекулярной наноэлектроники.
7. Разработка химических методов получения
нанокристаллов и упорядоченных наноструктур.

5. Тенденции. ВАКУУМНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
Тенденции. ВАКУУМНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
запатентован в 1904 году
англичанином Д.А. Флемингом
в 1904 году
Л. Де Форест и Р. Либен,
1906 год
5

6. Тенденции. ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
Тенденции. ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
6
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ДИАГРАММЫ ЛЕГИРОВАННОГО Si
АКЦЕПТОРНАЯ
ПРИМЕСЬ
ДОНОРНАЯ
ПРИМЕСЬ

7. Тенденции. ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
Тенденции. ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
p-n переход,
твердотельный диод
Интегральная схема,
Si-технология
У. Браттейн, Дж. Бардин,
У. Шокли, 1947 год
биполярный и
полевой транзисторы
7

8. НАНОЭЛЕКТРОНИКА

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
НАНОЭЛЕКТРОНИКА
8
ПРОБЛЕМЫ УМЕНЬШЕНИЯ ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ НОРМЫ
1. Повышение токов утечки за счет преобладания
туннельных эффектов через диэлектрические слои.
2. Электрический пробой подзатворного диэлектрика.
3. Проблемы теплоотвода.
4. Уменьшение подвижности носителей зарядов. Переход
на германий ?

9. РАЗМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
РАЗМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ
9
Размерный эффект – зависимость свойств твердого
тела от его размера, существенно, принципиально
изменяющаяся
при
сопоставимости
размера
с
фундаментальными характеристиками (длина свободного
пробега ℮, длина волны)
Б h / 2m * E
где h – постоянная Планка, m* , Е – эффективная масса и
энергия электронов
Для металлов λБ ~ 0,1–1 нм
Для полупроводников – λБ ~ 0,1–100 нм (Е и m
меньше в 10–100 раз)
Например, для Si, GaAs, Bi: λБ = 8; 30; 80 нм

10. КВАНТОВЫЕ ЭФФЕКТЫ

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
КВАНТОВЫЕ ЭФФЕКТЫ
10
Размерные ограничения на
движение электрона в квантовоограниченном объеме
Туннелирование электронов с
энергией Е через
потенциальный барьер U

11. КВАНТОВЫЕ ЭФФЕКТЫ

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
КВАНТОВЫЕ ЭФФЕКТЫ
Туннелирование электронов с энергией Е через потенциальный барьер
11

12. КВАНТОВЫЕ ЭФФЕКТЫ

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
КВАНТОВЫЕ ЭФФЕКТЫ
12
В 1986 г. К.К.Лихарев теоретически предсказал кулоновскую
блокаду туннелирования и одноэлектронное туннелирование
1
3
2
4
Одноэлектронное туннелирование
в условиях кулоновской блокады

13. КВАНТОВОРАЗМЕРНЫЕ ОБЪЕКТЫ

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
КВАНТОВОРАЗМЕРНЫЕ ОБЪЕКТЫ
Объемный материал — трехмерный (3D) объект.
p – импульс, k – волновой вектор электрона
13

14. КВАНТОВЫЕ ОГРАНИЧЕНИЯ

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
КВАНТОВЫЕ ОГРАНИЧЕНИЯ
Постулат Бора: электрону с
импульсом pn в потенциальной яме
шириной d разрешены траектории,
описываемые
соотношением:
n
p d n
Квантуемая энергия:
2
pn
n
En
2m
2md 2
2
2
2
Для ширины ямы 5 нм E1=0.2 эВ
(для эффективной массы электрона 10-28 г)
14

15. КВАНТОВОРАЗМЕРНЫЕ ОБЪЕКТЫ

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
КВАНТОВОРАЗМЕРНЫЕ ОБЪЕКТЫ
Квантовая яма (пленка) — двухмерный
(2D) объект, толщина dy соизмерима с длиной
волны де Бройля (d ~ λБ). Система электронов
–двухмерный (2D) электронный газ.
- энергия, квантуемая размерным
ограничением по оси «y»
15

16. КВАНТОВОРАЗМЕРНЫЕ ОБЪЕКТЫ

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
КВАНТОВОРАЗМЕРНЫЕ ОБЪЕКТЫ
16
Квантовая проволока (нить) — одномерный (1D) объект,
перемещение электронов не ограничено по координате Х. 1D электронный газ.

17. КВАНТОВОРАЗМЕРНЫЕ ОБЪЕКТЫ

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
КВАНТОВОРАЗМЕРНЫЕ ОБЪЕКТЫ
Квантовая точка (искусственный атом) — нуль-мерный (0D)
объект. Ширина запр.зоны GaAs для массивного ЕЗ=1,52_эВ,
КТ(933атомов) - ЕЗ=2,8_эВ, КТ(465атомов) - ЕЗ=3,2_эВ
17

18. end

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
end
18
Спасибо за
внимание!