《微電子學概論》-ch10納電子器.ppt

《《微電子學概論》-ch10納電子器.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《《微電子學概論》-ch10納電子器.ppt（42頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 下一頁 上一頁 下一頁 上一頁 OUTLINE 納米技術概述 納米半導體材料 碳納米管和半導體納米線 量子點和量子線 納電子器件 單電子晶體管 分子結(jié)器件 場效應晶體管 邏輯器件及其電路 下一頁 上一頁 什么是納米科技 納米科學是研究在 千萬分之一米 到 億分之一米 (10-9米 )內(nèi)，原子、分 子和其它類型物質(zhì)的運動和變化的規(guī) 律； 利用這些規(guī)律，在這一尺度范圍 內(nèi)對原子、分子進行操縱和加工被稱 為納米技術。 下一頁 上一頁 0.1nm 1nm 1000nm 106nm 109nm 知識上的裂

2、縫，一邊是以原子、分子為主體的微觀世界， 另一岸是人類活動的宏觀世界。兩個世界之間不是直接而 簡單的聯(lián)結(jié)，存在一個過渡區(qū) --納米世界 下一頁 上一頁 納米體系：量子世界 波 粒 二 象 性 不確定 原 理 下一頁 上一頁 隧穿幾率 不可 穿越 勢壘 可隧 穿勢 壘 經(jīng)典力學 量子力學 d E V0 下一頁 上一頁 不確定原理 經(jīng)典概念在微觀世界可以應用到什么程度 下一頁 上一頁 納米技術研究內(nèi)容 納米科技主要包含三個重要的支撐技術： 納米材料 : 無機納米材料，有機納米材料，復合納米材料 等； 納米加工制造技術：微細加工技術，掃描探針

3、加工技術， 分子組裝技術等； 納米表征測量技術：經(jīng)典的表征分析技術，掃描探針顯微 技術，單分子檢測技術等。 納米科技的核心思想是制備納米尺度的材料或結(jié)構(gòu)， 發(fā)掘其不同凡響的特性，并對其進行研究。由此形成 各類納米科技研發(fā)領域 . 下一頁 上一頁 OUTLINE 納米技術概述 納米半導體材料 碳納米管和半導體納米線 量子點和量子線 納電子器件 單電子晶體管 分子結(jié)器件 場效應晶體管 邏輯器件及其電路 下一頁 上一頁 納米碳管 下一頁 上一頁 碳納米管（ Carbon nanotube） 1991年才被發(fā)現(xiàn)的一種碳結(jié)構(gòu)。 由碳原子形成的石墨烯片

4、層卷成的無縫、中空的 管體。石墨烯的片層一般可以從一層到上百層。 下一頁 上一頁 碳納米管（ Carbon nanotube） 含有一層石墨烯片層的稱為單壁納米碳管 (Single walled carbon nanotube, SWNT)，直徑一般為 1 6 nm， 最小直徑大約為 0.4 nm， SWNT的直徑大于 6nm以后特別 不穩(wěn)定，會發(fā)生 SWNT管的塌陷，長度則可達幾百納米到 幾個微米。因為 SWNT的最小直徑與富勒烯分子類似，故 也有人稱其為巴基管或富勒管。 多于一層的則稱為多壁納米碳管 ( Multi-walled carbon nanotube, MWNT)。 S

5、WNT的 MWNT的層間距約為 0.34納米，直徑在幾個納米到幾十納米，長度一般在微 米量級，最長者可達數(shù)毫米。 由于納米碳管具有較大的長徑比，所以可以把其看成為 準一維納米材料。 下一頁 上一頁 碳納米管和半導體納米線 一維納米材料 碳納米管 因直徑、手性不同而呈現(xiàn)不同的電學特性， 即金屬性或半導體性 單壁碳納米管： 由于單壁納米管間存在較強 的范德瓦爾斯力，極易聚集成管束，且 C-C共 價鍵很強，其管壁結(jié)構(gòu)幾乎理想 下一頁 上一頁 碳納米管可以看成是由石墨卷曲而成的封 閉管，其結(jié)構(gòu)可用螺旋矢量 Ch和螺旋角 來表征 其中 Ch可表示為 Ch=na1+ma2，其中

6、 a1,a2為基本矢量，因此具有螺旋 矢量 Ch的碳納米管也就可以用一組整數(shù)（ n,m）表 示，其稱為碳納米管的指數(shù) 碳納米管的指數(shù) 下一頁 上一頁 下一頁 上一頁 ----------- - 鏡面 1 2 橙子 味 檸 檬 味 下一頁 上一頁 碳納米管組裝器件的局限 金屬性或半導體性的碳納米管難可控生長，不同 電學特性的納米管生長在一起，需后續(xù)分離 半導體納米線 總是呈現(xiàn)半導體特性，其摻雜類型、濃度可控， 納米線的成分、尺寸、電學和光學特性等可在合 成過程中合理控制 一維納米材料 下一頁 上一頁 半導體納米線 由于硅納米線表面易氧化，通過氧化層 保護

7、 下一頁 上一頁 量子點和量子線 量子線 碳納米管平面內(nèi)分布的自由電子將在某一方向 形成量子線 量子點 自由電子在 x， y方向都加以限制，形成量子點 含有 11000個可控制的電子 P307 圖 10.7 下一頁 上一頁 納米材料的四大效應 小尺寸效應 量子尺寸效應 表面效應 宏觀量子隧道效應 下一頁 上一頁 當超細微粒的尺寸與光波波長等物理 特征尺寸相當或更小時，晶體周期性的邊 界條件將被破壞；非晶態(tài)納米微粒的顆粒 表面層附近原子密度減小，導致聲 、 光 、 電 、 磁 、 熱 、 力學等特性呈現(xiàn)新的效應。 小尺寸效應 光吸收顯著增

8、加 出現(xiàn)吸收峰的等離子共振頻移 磁有序態(tài)變?yōu)榇艧o序態(tài) 超導相變?yōu)檎Ｏ? 下一頁 上一頁 當金屬粒子尺寸下降到某一值時，金 屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)?離散能級的現(xiàn)象，并且納米半導體微粒存 在不連續(xù)的被占據(jù)分子最高軌道和未被占 據(jù)的分子最低軌道能級。 能隙變寬現(xiàn)象稱為量子尺寸效應。 量子尺寸效應 下一頁 上一頁 納米微粒尺寸小，表面能高，位 于表面的原子占相當大的比例。由于 表面原子數(shù)增多，原子配位不足及高 的表面能，使這些表面原子具有高的 化學活性、催化活性、吸附活性 表面效應 下一頁 上一頁 微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱 為隧道效應。一

9、些宏觀量，例如微顆 粒的磁化強度，量子相干器件中的磁 通量等亦具有隧道效應，成為宏觀的 量子隧道效應。 宏觀量子隧道效應 下一頁 上一頁 OUTLINE 納米技術概述 納米半導體材料 碳納米管和半導體納米線 量子點和量子線 納電子器件 單電子晶體管 分子結(jié)器件 場效應晶體管 邏輯器件及其電路 下一頁 上一頁 Nano Science and Technology Insect 1 m 1 mm 1 m 1 nm 1 Molecula r Atom MACRO- MICRO- Condensed Matter Physics Meso- physics big

10、 barrier Vacuum Tube Semiconductor Devices Single Electron Devices NANOELECTRONICS Animal 下一頁 上一頁 三代電子器件 真空電子管主要是將電子引入真空環(huán)境，成為自 由電子，它具有較長的自由程。 晶體管是利用固體中自由載流子通過相對的兩個 pn結(jié)，同時由基極注入結(jié)中的少數(shù)載流子與多數(shù) 載流子復合來實現(xiàn)信號放大； MOS管是利用門（ g） 電壓來控制（ s）和（ d）極間的電流實現(xiàn)信號放 大。 納電子器件主要為單電子器件，量子效應是信號 加工的基礎。 下一頁 上一頁 納電子學

11、電子技術的發(fā)展趨勢要求器件和系統(tǒng)更小、 更快和更冷，即集成度更高、響應和操作速 度更快、功耗更底。 在硅上，目前已經(jīng)生產(chǎn)最小線寬為 130nm的電 路，再進一步發(fā)展到線寬小于 100nm時，將會 遇到兩大難題： 1. 光刻技術的限制，刻蝕尺寸已遠小于所用光束波 長，而且掩膜的平整度、基板的平整度以及兩者 之間的平行度已經(jīng)成為工藝方面的不可逾越的障 礙。 2. 工藝設備和研發(fā)的投資可能遠遠大于產(chǎn)品的回報。 下一頁 上一頁 解決的思路 目前可分為兩種類型： 1. 一是研究開發(fā)最小線寬為 20-50nm的器件，作為 現(xiàn)有集成電路的進一步微型化延伸，大體延用目 前的基本設計思想，但

12、不能使用目前常用的光刻、 參雜工藝，在材料上需要有新的突破，如使用有 機物或聚合物，屬于塑料電子學范疇，或稱有機 納米電子器件。 2. 另一種是與經(jīng)典集成電路完全不同的、利用量子 效應構(gòu)成的全新的量子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，簡稱量子器件， 可能的器件模式有量子點、量子線、量子阱、單 電子晶體管、單原子開關、自旋電子器件、共振 隧道器件等，目前還都處于了解基本現(xiàn)象的原理 階段。 下一頁 上一頁 納電子器件 分類 分子電子器件 ：基于碳納米管或單個 C分子 固體納電子器件：基于半導體材料，單電子等 特點 電導的量子化 庫侖阻塞和單電子隧穿 量子的相干特性顯著 下一頁 上一頁 電導量

13、子化 電導是在保持不同費米能級的電子之間的電子 躍遷，對一維體系， 考慮電子的自屏蔽作用 ， 導出電導率與躍遷幾率之間的關系的公式： C為與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特性有關的常數(shù)， T為電子的 穿透幾率。當 T=1時，電阻為 0。 電導量子化，是量子點接觸和單電子器件的基 礎。 下一頁 上一頁 電導量子化 滿足量子條件的 電導率是因子 （ e2/h）的函數(shù)， e2/h為電導量子。 在單電子輸運情 況下，此因子為 量子化臺階值。 下一頁 上一頁 庫侖堵塞現(xiàn)象 當體系的尺寸進入到納米級，體系是電荷量子化的， 即充放電過程是不連續(xù)的。 充入一個電子的所需要的能量為：

14、EC=e2/2C e為電子電荷， C為小體系的電容。體系越小， C越小， EC越大。 EC稱為庫侖堵塞能。 庫侖堵塞能可以理解為前一個電子對后一個電子的庫 侖排斥。它導致了對一個小體系的充放電過程，電子 不能集體傳輸。 小體系的這種單電子輸運行為被稱為庫侖堵塞效應。 由于庫侖堵塞效應的存在，電流隨電壓的上升不再是 直線，而是呈現(xiàn)鋸齒形狀的臺階。 下一頁 上一頁 隧道效應 微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。 如果兩個量子點通過一個 “ 結(jié) ” 連接起來，一個量子 點上的單個電子穿過勢壘到另一個量子點上的行為稱 為量子隧穿。 對于一個納米尺寸的隙縫，電容量為

15、C。若兩極板上的 電荷分別為 q和 -q，其靜電能為 q2/2C。如果它比電子 的熱能 kBT大得多，電荷從一個極板到另一個極板的傳 輸在低電壓時應該受到抑制。 當 qqth=q/2C閾值時，兩極板之間將有隧穿電流；當 q

16、電子器件所面臨的問題 如何獲得性能穩(wěn)定的晶體管 如何組成納電子器件邏輯電路 解決納電子器件電路中的信息處理 下一頁 上一頁 單電子晶體管 單電子晶體管是依據(jù)單電子隧道效應和庫侖堵 塞效應的基本物理原理設計的納米結(jié)構(gòu)器件。 將一個微結(jié)構(gòu)用隧道結(jié)與金屬導線弱連接起來， 形成的電子器件被稱為“單電子晶體管”。器 件中的主要電荷遷移機制是非連續(xù)的單電子隧 道穿越過程。 由于這個過程起源于電荷之間的庫侖靜電相互 作用，這個微結(jié)構(gòu)被稱為庫侖島。它可以是半 導體納米材料或金屬納米材料。 下一頁 上一頁 一旦某一電子隧穿進入一納米粒子它會對隨后而來的第二個 電子進入該納米粒子起阻擋作用 ,稱為庫侖阻塞現(xiàn)象 .只有等 這個電子離開該納米粒子后外界的第二個電子才可能再進入 該納米粒子 .利用這種庫侖阻塞現(xiàn)象可能人為的控制電子單個 的穿過具有納米結(jié)構(gòu)的器件 ,實現(xiàn)單電子隧穿過程 . 單電子晶體管 運行機理 電子隧穿 庫侖阻塞 P312 圖 10.11 下一頁 上一頁 庫侖島（量子點） 隧道結(jié) 兩個隧道結(jié)之間圍成庫侖島（量子點） 庫侖島 下一頁 上一頁 作業(yè) 解釋單電子晶體管運行機理 :電子隧穿和庫 侖阻塞。