Лекции_Введение_в_нанотехнологии. Введение в нанотехнологии

• Название: Введение в нанотехнологии
• Дата: 16.10.2022
• Размер: 5.09 Mb.
• Имя файла: Лекции_Введение_в_нанотехнологии.doc
• Тип: Документы; #737269
• страница: 21 из 24

Глава 6. Контрольные вопросы

1. 
   В чем особенности дифракции волн на двумерной решетке? На трехмерной?
   
2. 
   Возникают ли запрещенные зоны при дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решетке?
   
3. 
   Почему инфракрасная область электромагнитных волн с длиной волны порядка 1,5 мкм представляет особый интерес при создании фотонных кристаллов?
   
4. 
   В чем общая природа возникновения запрещенных зон для электронов и фотонов в кристаллах?
   
5. 
   В чем отличие передачи света по традиционному световоду и по фотонному кристаллу?
   

Глава 7. Наноэлектроника. Предисловие

Наноэлектроника – область современной электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем и устройств на их основе с размерами элементов менее 100 нм.

Основная задача наноэлектроники состоит в разработке новых электронных устройств со сверхмалыми размерами, создании методов их получения и объединения в интегральные схемы. Научные исследования и технологические разработки в наноэлектронике опираются на передовые знания в области электроники, механики, материаловедения, физики, химии, биологии и медицине. И объединяет их объект исследований – структуры со сверхмалыми размерами и необычными для «большого» мира свойствами.

Известно, что основной тенденцией развития всей электроники в целом является миниатюризация, или уменьшение массы и размеров электронных приборов и устройств. Последовательные технологические переходы от электротехнических компонентов – к электронным лампам, от ламп – к транзисторам, от транзисторов – к интегральным схемам позволили создать современные мобильные телефоны, карманные компьютеры, индивидуальные медицинские аппараты и многие другие продукты электроники, прочно вошедшие в жизнь современного человека.

В 1965 году один из основателей компании Intel Гордон Мур сделал интересное открытие, Он заметил, что процесс постоянного уменьшения размеров элементов интегральных схем подчиняется некоторому закону, позднее названному законом Мура.

В соответствии с этим законом плотность компоновки электронных компонентов в интегральной схеме удваивается приблизительно каждые полтора–два года, что приводит к соответствующему росту мощности вычислительных средств и их производительности. Иллюстрация этого закона, применительно к процессорам, выпускаемым компанией Intel, приведена на рис. 7.1.



Рис. 7.1. Закон Мура

В настоящее время увеличение плотности компоновки элементов в составе интегральной схемы возможно только за счет уменьшения их физических размеров. Очевидно, что эта закономерность не может действовать бесконечно и непрерывное уменьшение размеров электронных изделий должно когда-то и как-то закончиться. Тогда возникает вопрос: «А какие минимальные размеры могут иметь элементы современных микросхем?». Ответ на этот вопрос уже существует. Сегодня техника вплотную приблизилась к теоретической возможности запоминать и передавать 1 бит (состояния логического «0» или «1») информации с помощью одного электрона, положение которого в пространстве может быть задано одним атомом. Таким образом, размеры элементов интегральных схем будут составлять всего несколько атомных слоев. Но при таких размерах элементов (порядка нескольких нанометров) законы классической физики уже перестают действовать, и поведение таких элементов описывается законами квантовой механики. С момента формулировки закона Мура прошло более 40 лет. Несмотря на некоторые колебания в периоде удвоения, закон Мура продолжает работать. Однако, в 2007 году сам Мур признал, что его закон перестаёт действовать уже из-за атомарных ограничений и влияния скорости света.

Электронные приборы на основе нанообъектов

Применение в электронике нанообъектов, таких как наночастицы, квантовые точки, квантовые ямы, углеродные нанотрубки и других позволяет говорить о новом этапе миниатюризации электронных приборов – переходе от интегральных микросхем к интегральным наносхемам. Исследователи из различных стран мира создают новые типы электронных элементов со сверхмалыми размерами, которые и составят в ближайшем будущем элементную базу наноэлектроники. Для знакомства с такими элементами наноэлектроники обратимся к наиболее изученным эффектам в современной физике, на базе которых уже сегодня реализуются приборы, отличающиеся по принципам работы от существующих полупроводниковых диодов и транзисторов.

Приборы на основе одноэлектронного туннелирования

В 1986 году советскими учеными К.К. Лихаревым и Д.В. Авериным был предложен одноэлектронный транзистор на эффекте кулоновской блокады. Данный эффект заключается в блокировании прохождения электронов через квантовую точку (включенную между двумя туннельными контактами), обусловленном отталкиванием электронов в контактах от электрона на квантовой точке, а также дополнительным кулоновским потенциальным барьером, который создает электрон, закрепившийся на точке. Кулоновская блокада препятствует вылету электрона из точки, а также попаданию новых электронов на нее. Для преодоления кулоновской блокады необходимо понизить высоту потенциального барьера и повысить энергию электронов.

Рассмотрим более подробно конструкцию и принцип работы одноэлектронного транзистора. Также как и полевой полупроводниковый транзистор, он имеет три электрода, называемые истоком, стоком и затвором. В области между электродами (рис. 7.2) располагается дополнительный металлический или полупроводниковый «наноостровок» – наночастиица или кластер нанометровых размеров, изолированный от электродов диэлектрическими прослойками, через которые и может при определенных условиях происходить движение электрона. Если приложить напряжение между истоком и стоком транзистора, то ток протекать не будет, поскольку электроны в данный момент заблокированы на наночастице. Для появления тока необходимо увеличить потенциал на управляющем электроде – затворе. Только когда потенциал на затворе станет больше некоторого порогового значения, блокада прорывается, электрон получает способность пройти через барьер, и в цепи исток-сток начинает протекать ток. При этом электрический ток в цепи протекает порциями, что соответствует движениям единичных электронов. Таким образом, управляя потенциалом на затворе, можно пропускать через барьеры одиночные электроны. Количество электронов в наночастице должно быть не более 10 (а желательно и меньше). Это может быть достигнуто в квантовых структурах с размером порядка 10 нм.



Рис. 7.2. Одноэлектронный транзистор

В цифровых интегральных схемах на одноэлектронных транзисторах один бит информации (то есть два возможных состояния «0» и «1») может быть представлен как присутствие или отсутствие одного электрона на наночастице. Тогда схема памяти емкостью 10¹² бит (что в 1000 раз больше, чем у современных сверхбольших интегральных схем), может разместиться на кристалле площадью всего 6,45 см². Над практической реализацией этих перспектив сегодня активно работают специалисты во всем мире.

Различные одноэлектронные приборы можно получить при увеличении количества туннельно-связанных наноостровков. Один из таких приборов – одноэлектронная ловушка. Главное свойство данного прибора – это так называемая би- или мультистабильная внутренняя зарядовая память. У одноэлектронной ловушки в пределах некоторого диапазона напряжения, прикладываемого к затвору, один из наноостровков (обычно ближайший к затвору) может быть в одном, двух или более устойчивых зарядовых состояниях, т.е. содержать один, два или несколько электронов. На этой основе уже сегодня создаются различные логические элементы, которые в ближайшем будущем могут стать элементной базой нанокомпьютеров.