Основы наноэлектроники и нанотехнологий. Наноэлектроника. (Лекция 3)

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 №3

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
НАНОЭЛЕКТРОНИКА, лекция №3
2
Баллистический транспорт электронов в 1D - структурах
Диффузионный механизм
Средняя длина свободного пробега l–
путь электрона между двумя
последовательными актами рассеяния.
Для металлов l ~ 10 нм
Для полупроводников – l ~ 50–120 нм
Например, для Si, GaAs: l = 50-100; 120 нм
Баллистический механизм
Квантуемая проводимость
Квант сопротивления:
N – число разрешенных
состояний в проводнике

3. Квантовые барьеры и ямы

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
Квантовые барьеры и ямы
3
Формирование квантовых барьеров и ям
Широкозонный п/п
Eg = до 2.2 эВ
Квантовая яма
Узкозонный п/п
Eg = 1.5 эВ
Квантовая точка

4. Эффекты в квантово-размерных структурах

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
Эффекты в квантово-размерных структурах
Принцип работы резонансно-туннельного
диода и его ВАХ
1958 г. Л.Исаки (Япония) –
исследование резонансного
туннелирования.
1962 г. Л.В.Келдыш – возможность
создания особой периодической
структуры (сверхрешетка).
1974 г. – Исаки и Чанг –
создают первый РТД
Vрез1
4
U=0
U=Uрез
U>Uрез

5. Эффекты в квантово-размерных структурах

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
Эффекты в квантово-размерных структурах
Особенности резонансно-туннельного диода
1.
2.
3.
4.
5.
Малое время переключения (пикосекунды – 10-12).
Низкая потребляемая мощность.
Большие плотности тока при малых размерах.
Существенная нелинейность ВАХ.
Возможность спонтанной генерации электрических колебаний (за
счет участка отрицательного дифференциального сопротивления).
6. Используемые материалы: GaAs, AlAs, InP, InAs.
5

6. Эффекты в квантово-размерных структурах

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
Эффекты в квантово-размерных структурах
Полупроводниковый лазер на квантовой яме
E g E1C E1V
Высокий (60%)
КПД
ω - частота излучения,
Eg – ширина запрещенной
зоны,
EC – зона проводимости,
EV – валентная зона
6

7. Лазеры на двойных гетероструктурах

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
Лазеры на двойных гетероструктурах
Формирование излучения
7
Коэффициент преломления
Нобелевская премия 2000 г. - исследования в области физики полупроводников
и полупроводниковой технологии: полупроводниковые гетероструктуры.
Ж.И.Алферов (Россия), Г.Кремер, Дж.Килби (США)

8. Лазеры на двойных гетероструктурах

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
Лазеры на двойных гетероструктурах
ДГС-лазер классический
ДГС-лазер на квантовой яме
8

9. Кулоновская блокада

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
Кулоновская блокада
9
Кулоновская блокада – величина разности потенциалов
эл.поля, препятствующая туннелированию электронов

10. Кулоновская блокада

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
Кулоновская блокада
Наличие кулоновской блокады:
kT<∆E
e2
C
2kT
Емкость сферического конденсатора
(пример) - Ссф = 4πƐƐ0R1
Для температур:
1К: С~9·10–16 Ф, размер конденсатора (для Ɛ=10) – R1 ~ 1 мкм
300 К: С~3·10–18 Ф, R1 ~ 3 нм
10

11. Одноэлектронные приборы

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
Одноэлектронные приборы
11
Использование кулоновской блокады в
одноэлектронных приборах
Ме-Нано-остров
Сток
Исток
Диэлектрик

12. Одноэлектронные приборы

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
Одноэлектронные приборы
12
Элемент на основе нано-острова
U ≈ мВ
I ≈ нА

13. Одноэлектронные приборы

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
Одноэлектронные приборы
13
Использование кулоновской блокады в
одноэлектронных приборах – одноэлектронный транзистор

14. end

МГТУ имен и Н.Э.Бауман а, к афедра МТ-11 "Элек тронные технологии в м ашиностроен ии"
end
14
Спасибо за
внимание!