Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 1.1 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. 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.
Транспорт носителей заряда вдоль потенциальных барьеров. Транспорт носителей заряда в низкоразмерных структурах демонстрирует множество интересных явлений, совершенно новых в сравнении с поведением носителей заряда в макроскопических системах. В явном виде они проявляются тогда, когда размеры структур меньше, чем длина фазовой когерентности электрона. Это расстояние между двумя ближайшими точками, в которых происходит рассеяние электрона на примесных атомах, фононах или других неоднородностях в материале, вследствие чего изменяется фаза электронной волны. Так как фазы невзаимодействующих электронных волн сохраняются на протяжении всего пути, который они проходят в таких структурах, естественно ожидать появления интерференционных эффектов, когда волны с различными фазами встречают друг друга. В данном случае большинство предположений, основанных на применении уравнения Больцмана для описания процесса переноса носителей заряда, нарушаются. В данном разделе рассматриваются особенности переноса носителей заряда в низкоразмерных структурах вдоль потенциальных барьеров только в квантовом режиме.
|
