《微電子學(xué)概論》-ch10納電子器.ppt

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1、 下一頁(yè) 上一頁(yè) 下一頁(yè) 上一頁(yè) OUTLINE 納米技術(shù)概述 納米半導(dǎo)體材料 碳納米管和半導(dǎo)體納米線 量子點(diǎn)和量子線 納電子器件 單電子晶體管 分子結(jié)器件 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 邏輯器件及其電路 下一頁(yè) 上一頁(yè) 什么是納米科技 納米科學(xué)是研究在 千萬(wàn)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(yùn)動(dòng)和變化的規(guī) 律； 利用這些規(guī)律，在這一尺度范圍 內(nèi)對(duì)原子、分子進(jìn)行操縱和加工被稱 為納米技術(shù)。 下一頁(yè) 上一頁(yè) 0.1nm 1nm 1000nm 106nm 109nm 知識(shí)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(dòng)的宏觀世界。兩個(gè)世界之間不是直接而 簡(jiǎn)單的聯(lián)結(jié)，存在一個(gè)過(guò)渡區(qū) --納米世界 下一頁(yè) 上一頁(yè) 納米體系：量子世界 波 粒 二 象 性 不確定 原 理 下一頁(yè) 上一頁(yè) 隧穿幾率 不可 穿越 勢(shì)壘 可隧 穿勢(shì) 壘 經(jīng)典力學(xué) 量子力學(xué) d E V0 下一頁(yè) 上一頁(yè) 不確定原理 經(jīng)典概念在微觀世界可以應(yīng)用到什么程度 下一頁(yè) 上一頁(yè) 納米技術(shù)研究?jī)?nèi)容 納米科技主要包含三個(gè)重要的支撐技術(shù)： 納米材料 : 無(wú)機(jī)納米材料，有機(jī)納米材料，復(fù)合納米材料 等； 納米加工制造技術(shù)：微細(xì)加工技術(shù)，掃描探針

3、加工技術(shù)， 分子組裝技術(shù)等； 納米表征測(cè)量技術(shù)：經(jīng)典的表征分析技術(shù)，掃描探針顯微 技術(shù)，單分子檢測(cè)技術(shù)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(duì)其進(jìn)行研究。由此形成 各類納米科技研發(fā)領(lǐng)域 . 下一頁(yè) 上一頁(yè) OUTLINE 納米技術(shù)概述 納米半導(dǎo)體材料 碳納米管和半導(dǎo)體納米線 量子點(diǎn)和量子線 納電子器件 單電子晶體管 分子結(jié)器件 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 邏輯器件及其電路 下一頁(yè) 上一頁(yè) 納米碳管 下一頁(yè) 上一頁(yè) 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(wú)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(yè) 上一頁(yè) 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(huì)發(fā)生 SWNT管的塌陷，長(zhǎng)度則可達(dá)幾百納米到 幾個(gè)微米。因?yàn)?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(gè)納米到幾十納米，長(zhǎng)度一般在微 米量級(jí)，最長(zhǎng)者可達(dá)數(shù)毫米。 由于納米碳管具有較大的長(zhǎng)徑比，所以可以把其看成為 準(zhǔn)一維納米材料。 下一頁(yè) 上一頁(yè) 碳納米管和半導(dǎo)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(xué)特性， 即金屬性或半導(dǎo)體性 單壁碳納米管： 由于單壁納米管間存在較強(qiáng) 的范德瓦爾斯力，極易聚集成管束，且 C-C共 價(jià)鍵很強(qiáng)，其管壁結(jié)構(gòu)幾乎理想 下一頁(yè) 上一頁(yè) 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(lái)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(yè) 上一頁(yè) 下一頁(yè) 上一頁(yè) ----------- - 鏡面 1 2 橙子 味 檸 檬 味 下一頁(yè) 上一頁(yè) 碳納米管組裝器件的局限 金屬性或半導(dǎo)體性的碳納米管難可控生長(zhǎng)，不同 電學(xué)特性的納米管生長(zhǎng)在一起，需后續(xù)分離 半導(dǎo)體納米線 總是呈現(xiàn)半導(dǎo)體特性，其摻雜類型、濃度可控， 納米線的成分、尺寸、電學(xué)和光學(xué)特性等可在合 成過(guò)程中合理控制 一維納米材料 下一頁(yè) 上一頁(yè) 半導(dǎo)體納米線 由于硅納米線表面易氧化，通過(guò)氧化層 保護(hù)

7、 下一頁(yè) 上一頁(yè) 量子點(diǎn)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(diǎn) 自由電子在 x， y方向都加以限制，形成量子點(diǎn) 含有 11000個(gè)可控制的電子 P307 圖 10.7 下一頁(yè) 上一頁(yè) 納米材料的四大效應(yīng) 小尺寸效應(yīng) 量子尺寸效應(yīng) 表面效應(yīng) 宏觀量子隧道效應(yīng) 下一頁(yè) 上一頁(yè) 當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長(zhǎng)等物理 特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，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(dǎo)致聲 、 光 、 電 、 磁 、 熱 、 力學(xué)等特性呈現(xiàn)新的效應(yīng)。 小尺寸效應(yīng) 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(wú)序態(tài) 超導(dǎo)相變?yōu)檎Ｏ? 下一頁(yè) 上一頁(yè) 當(dāng)金屬粒子尺寸下降到某一值時(shí)，金 屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)?離散能級(jí)的現(xiàn)象，并且納米半導(dǎo)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(jí)。 能隙變寬現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。 量子尺寸效應(yīng) 下一頁(yè) 上一頁(yè) 納米微粒尺寸小，表面能高，位 于表面的原子占相當(dāng)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(xué)活性、催化活性、吸附活性 表面效應(yīng) 下一頁(yè) 上一頁(yè) 微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱 為隧道效應(yīng)。一

9、些宏觀量，例如微顆 粒的磁化強(qiáng)度，量子相干器件中的磁 通量等亦具有隧道效應(yīng)，成為宏觀的 量子隧道效應(yīng)。 宏觀量子隧道效應(yīng) 下一頁(yè) 上一頁(yè) OUTLINE 納米技術(shù)概述 納米半導(dǎo)體材料 碳納米管和半導(dǎo)體納米線 量子點(diǎn)和量子線 納電子器件 單電子晶體管 分子結(jié)器件 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 邏輯器件及其電路 下一頁(yè) 上一頁(yè) 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(yè) 上一頁(yè) 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(zhǎng)的自由程。 晶體管是利用固體中自由載流子通過(guò)相對(duì)的兩個(gè) pn結(jié)，同時(shí)由基極注入結(jié)中的少數(shù)載流子與多數(shù) 載流子復(fù)合來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大； MOS管是利用門（ g） 電壓來(lái)控制（ s）和（ d）極間的電流實(shí)現(xiàn)信號(hào)放 大。 納電子器件主要為單電子器件，量子效應(yīng)是信號(hào) 加工的基礎(chǔ)。 下一頁(yè) 上一頁(yè) 納電子學(xué)

11、電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)要求器件和系統(tǒng)更小、 更快和更冷，即集成度更高、響應(yīng)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(jìn)一步發(fā)展到線寬小于 100nm時(shí)，將會(huì) 遇到兩大難題： 1. 光刻技術(shù)的限制，刻蝕尺寸已遠(yuǎn)小于所用光束波 長(zhǎng)，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(shè)備和研發(fā)的投資可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于產(chǎn)品的回報(bào)。 下一頁(yè) 上一頁(yè) 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(jìn)一步微型化延伸，大體延用目 前的基本設(shè)計(jì)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(jī)物或聚合物，屬于塑料電子學(xué)范疇，或稱有機(jī) 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(yīng)構(gòu)成的全新的量子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱量子器件， 可能的器件模式有量子點(diǎn)、量子線、量子阱、單 電子晶體管、單原子開關(guān)、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(yè) 上一頁(yè) 納電子器件 分類 分子電子器件 ：基于碳納米管或單個(gè) C分子 固體納電子器件：基于半導(dǎo)體材料，單電子等 特點(diǎn) 電導(dǎo)的量子化 庫(kù)侖阻塞和單電子隧穿 量子的相干特性顯著 下一頁(yè) 上一頁(yè) 電導(dǎo)量

13、子化 電導(dǎo)是在保持不同費(fèi)米能級(jí)的電子之間的電子 躍遷，對(duì)一維體系， 考慮電子的自屏蔽作用 ， 導(dǎo)出電導(dǎo)率與躍遷幾率之間的關(guān)系的公式： C為與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特性有關(guān)的常數(shù)， T為電子的 穿透幾率。當(dāng) T=1時(shí)，電阻為 0。 電導(dǎo)量子化，是量子點(diǎn)接觸和單電子器件的基 礎(chǔ)。 下一頁(yè) 上一頁(yè) 電導(dǎo)量子化 滿足量子條件的 電導(dǎo)率是因子 （ e2/h）的函數(shù)， e2/h為電導(dǎo)量子。 在單電子輸運(yùn)情 況下，此因子為 量子化臺(tái)階值。 下一頁(yè) 上一頁(yè) 庫(kù)侖堵塞現(xiàn)象 當(dāng)體系的尺寸進(jìn)入到納米級(jí)，體系是電荷量子化的， 即充放電過(guò)程是不連續(xù)的。 充入一個(gè)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(kù)侖堵塞能。 庫(kù)侖堵塞能可以理解為前一個(gè)電子對(duì)后一個(gè)電子的庫(kù) 侖排斥。它導(dǎo)致了對(duì)一個(gè)小體系的充放電過(guò)程，電子 不能集體傳輸。 小體系的這種單電子輸運(yùn)行為被稱為庫(kù)侖堵塞效應(yīng)。 由于庫(kù)侖堵塞效應(yīng)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(tái)階。 下一頁(yè) 上一頁(yè) 隧道效應(yīng) 微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。 如果兩個(gè)量子點(diǎn)通過(guò)一個(gè) “ 結(jié) ” 連接起來(lái)，一個(gè)量子 點(diǎn)上的單個(gè)電子穿過(guò)勢(shì)壘到另一個(gè)量子點(diǎn)上的行為稱 為量子隧穿。 對(duì)于一個(gè)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(gè)極板到另一個(gè)極板的傳 輸在低電壓時(shí)應(yīng)該受到抑制。 當(dāng) qqth=q/2C閾值時(shí)，兩極板之間將有隧穿電流；當(dāng) q

16、電子器件所面臨的問(wèn)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(yè) 上一頁(yè) 單電子晶體管 單電子晶體管是依據(jù)單電子隧道效應(yīng)和庫(kù)侖堵 塞效應(yīng)的基本物理原理設(shè)計(jì)的納米結(jié)構(gòu)器件。 將一個(gè)微結(jié)構(gòu)用隧道結(jié)與金屬導(dǎo)線弱連接起來(lái)， 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(jī)制是非連續(xù)的單電子隧 道穿越過(guò)程。 由于這個(gè)過(guò)程起源于電荷之間的庫(kù)侖靜電相互 作用，這個(gè)微結(jié)構(gòu)被稱為庫(kù)侖島。它可以是半 導(dǎo)體納米材料或金屬納米材料。 下一頁(yè) 上一頁(yè) 一旦某一電子隧穿進(jìn)入一納米粒子它會(huì)對(duì)隨后而來(lái)的第二個(gè) 電子進(jìn)入該納米粒子起阻擋作用 ,稱為庫(kù)侖阻塞現(xiàn)象 .只有等 這個(gè)電子離開該納米粒子后外界的第二個(gè)電子才可能再進(jìn)入 該納米粒子 .利用這種庫(kù)侖阻塞現(xiàn)象可能人為的控制電子單個(gè) 的穿過(guò)具有納米結(jié)構(gòu)的器件 ,實(shí)現(xiàn)單電子隧穿過(guò)程 . 單電子晶體管 運(yùn)行機(jī)理 電子隧穿 庫(kù)侖阻塞 P312 圖 10.11 下一頁(yè) 上一頁(yè) 庫(kù)侖島（量子點(diǎn)） 隧道結(jié) 兩個(gè)隧道結(jié)之間圍成庫(kù)侖島（量子點(diǎn)） 庫(kù)侖島 下一頁(yè) 上一頁(yè) 作業(yè) 解釋單電子晶體管運(yùn)行機(jī)理 :電子隧穿和庫(kù) 侖阻塞。