«Элементы и приборы наноэлектроники»

Планы практических занятий по курсу «Элементы и приборы наноэлектроники»

Модуль 1.Сверхпроводниковая электроника

Семинар 1.Предмет и задачи курса.Методы и способы кодирования информации в физических системах.

Наноэлектроника– область науки, которая изучает электронные приборы с характерными размерамиL, лежащими в нанометровой области (1 – 100 нм):

1 нм = 10^-9м = 10^-3мкм= 10Ǻ = 10^-7см

1 Ǻ = 10^-8см = 10^-10м - ангстрем

Создание таких приборов стало возможным в связи с успехами в развитии техники и технологии (нанотехнологии). С физической точки зрения эта область размеров интересна тем, что такой же порядок величины имеют длина волны де-Бройля λ_дБносителей заряда (электронов и дырок) и длина сбоя фазыL_φ(расстояние, которое проходит носитель заряда без изменения фазы волновой функции, определяется длиной свободного пробега при неупругом рассеянии). Следовательно в приборах с такими размерами должна проявляться квантовая природа носителей заряда. ПриL~ λ_дБнеобходимо учитывать размерное квантование, а приL~L_φ - интерференционные эффекты при транспорте носителей заряда. Поскольку λ_дБ~<E>^-1\2, аL_φ~vτ_φ, где <E> иv– средняя энергия и скорость носителей заряда, соответственно, то в металлахL_φ> λ_дБ, а в полупроводникахL_φ<λ_дБ. Наноэлектроника тесно связана смезоскопикой – разделом физики, изучающим свойства объектов промежуточных размеров между микроскопическими (размер атомов и молекул) и макроскопическими (объемные тела) размерами. Первоначально основным объектом исследования мезоскопики были металлические системы, в которых длина сбоя фазыL_φ может существенно превышать границу нанообласти (100 нм=0,1 мкм). Таким образом характерный размер, при котором начинают проявляться квантовые эффекты и граница нанообласти, строго говоря, не совпадают.

Исторически сложилось, что к предмету наноэлектроники относят все приборы независимо от их характерных размеров, работа которых основана на квантовых эффектах. Этим обстоятельством традиционная наноэлектроникаотличалась оттрадиционной электроники или микроэлектроники, основанной на транзисторах, принцип действия которых определяется классическими процессами диффузии и дрейфа. В последние годы в связи со стремительным прогрессом (закон Мура) микроэлектроники характерные размеры транзисторов преодолели субмикронный рубеж и достигли размеров нескольких десятков нанометров. Поэтому традиционнаямикро-электроника (электроника приборов с характерными размерами порядка микрометра – мкм), фактически, превратилась внано-электронику. Квантовые эффекты при этом также проявляются (утечки по затвору, туннельный пробой, прямое туннелирование сток-исток и др.), но, как правило, играют роль паразитных эффектов, сопутствующих уменьшению размеров приборов и увеличению быстродействия и степени интеграции. Сам же принцип работы транзистора остается неизменным и вполне классическим. Таким образом в настоящее время сосуществуют традиционная наноэлектроника (часто говорятCMOS-наноэлектроника, подчеркивая ведущую рольCMOS-технологии) и наноэлектроника на квантовых эффектах. Последняя и служит предметом изучения данного курса.

В квантовой механике частица описывается зависящей от координат волновой функцией. Значения волновой функции в различных точках пространства согласованы (когерентны) друг с другом и определяются решением дифференциального уравнения Шредингера. Пространственный масштаб когерентности волновой функции и определяет характерные размеры прибора и устройства, на которых проявляются квантовые эффекты. Важно, что существуют особые конденсированные состояния – макроскопические когерентные состояния, в которых когерентность частиц и, соответственно, квантовые свойства сохраняются на больших (макроскопических) расстояниях. К их числу относятся сверхтекучесть и сверхпроводимость. Поэтому приборы сверхпроводниковой электроники тоже традиционно относят к предмету наноэлектроники.

Разноообразие приборов наноэлектроники определяется многообразием способов представления информации в физических системах. При этом в качестве физического носителя информации можно использовать следующие характеристики физической системы:

1. Заряд.

2. Напряжение.

3. Спин.

4. Замкнутый ток и связанный с ним магнитный поток.

5. Разность фаз двух когерентных подсистем.

6. Геометрия (молекул).

Как известно существуют аналоговый (непрерывный) и цифровой (дискретный) способы представления информации. В настоящее время наиболее эффективным считается цифровой метод обработки и преобразования информации. Физические характеристики классических систем изменяются непрерывным образом. При этом в классических приборах дискретность состояний достигается специальной конструкцией базовых элементов (ячейки памяти, триггеры), включающей, как правило, несколько компонентов (транзисторов). Существенно, что дискретность состояний (дискретность проекции спина на заданную ось, дискретные уровни размерного квантования, квантование потока в сверхпроводящих кольцах, дискретность устойчивых конфигураций сложных молекул) – фундаментальное свойство квантовых систем, которое делает их перспективными для непосредственного использования в цифровых информационных системах.

Семинар 2. Краткая характеристика основных разделов наноэлектроники.

В настоящее время в состав наноэлектроники принято включать (TechnologyRoadmapforNanoelectronics, 2001) следующие направления, основанные на специальных физических эффектах и явлениях:

1. Одноэлектроника(Single electronics).

Данное направление основывается на физическом явлении кулоновской блокадытуннелирования (Рис 1), когда перенос заряда через туннельный переход малой емкости носит дискретный характер (по одному электрону) и возможен только при превышении напряжения на переходе некоторого критического значения.

Рис 1. ВАХ туннельного перехода в режиме кулоновской блокады.

1. Сверхпроводниковая электроника.

В сверхпроводниковых приборах используются, в основном, два ярких квантовых эффекта – квантование потока в замкнутом сверхпроводящем контуре и эффект Джозефсона в туннельном контакте двух сверхпроводников. Эти эффекты, а также их различные сочетания позволили создать большое многообразие как аналоговых (датчики магнитного поля, стандарты напряжения), так и цифровых (цифровые интегральные схемы) приборов. Сверхпроводящие устройства рассматриваются также как перспективная элементная база квантовых компьютеров.

2. Резонансно-туннельные гетероструктуры и приборы на их основе.

Явление резонансного туннелирования частиц можно представить как квантовомеханический аналог прохождения света через интерферометр Фабри-Перо. Из квантовой механики известно, что вероятность перехода электрона Eчерез потенциальный барьер высотойU₀, которая выражается через коэффициент прозрачности, представляет собой монотонно растущую функцию энергии, которая всегда меньше единицы приE<U₀. Для двухбарьерной системы (см. рис. ниже) ситуация изменяется качественно. При некоторой энергииE₀ имеет место резонанс с максимумом коэффициента прозрачности как функции энергии. Для симметричных барьеров величина коэффициента прозрачности в максимуме строго равна единице. При дальнейшем повышении энергии от резонанса прозрачность сначала падает, а потом возрастает аналогично случаю с одним барьером.

Зависимость тока, который определяется интегралом по энергии от скорости умноженной на коэффициент прозрачности, от напряжения, изменяющего энергию налетающих частиц относительно высоты барьера, также представляет собой функцию с максимумом. Такая вольт-амперная характеристика (ВАХ) называется N-образной и характеризуется наличием области отрицательного дифференциального проводимости, когда. Резонансно-туннельная структура, включенная в электрическую цепь, представляет собой двухполюсный прибор – резонансно-туннельный диод (РТД). РТД отличаются исключительно высоким быстродействием. Кроме того, существенная нелинейность ВАХ РТД позволяет с его помощью создавать электрические схемы, выполняющие те же функции, что транзисторные схемы, содержащие гораздо больше элементов. В настоящее время наиболее отработанными технологиями получения резонансно-туннельных структур служат технологии молекулярно-пучковой и газовой эпитаксии полупроводниковых гетероструктур.