《微电子学概论》ch10纳电子器.ppt

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1、,纳电子器件,OUTLINE,纳米技术概述纳米半导体材料 碳纳米管和半导体纳米线量子点和量子线纳电子器件单电子晶体管分子结器件场效应晶体管逻辑器件及其电路,什么是纳米科技 纳米科学是研究在千万分之一米到亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的规律；利用这些规律，在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工被称为纳米技术。,0.1nm 1nm 1000nm 106nm 109nm,知识上的裂缝，一边是以原子、分子为主体的微观世界，另一岸是人类活动的宏观世界。两个世界之间不是直接而简单的联结，存在一个过渡区-纳米世界,纳米体系：量子世界波 粒 二 象 性不确定 原 理,隧穿

2、几率,不可穿越势垒,可隧穿势垒,经典力学,量子力学,d,E,V0,不确定原理,经典概念在微观世界可以应用到什么程度,纳米技术研究内容,纳米科技主要包含三个重要的支撑技术：纳米材料:无机纳米材料，有机纳米材料，复合纳米材料等；纳米加工制造技术：微细加工技术，扫描探针加工技术，分子组装技术等；纳米表征测量技术：经典的表征分析技术，扫描探针显微技术，单分子检测技术等。纳米科技的核心思想是制备纳米尺度的材料或结构，发掘其不同凡响的特性，并对其进行研究。由此形成各类纳米科技研发领域.,纳米技术的主要特征,从材料发展的角度看，纳米材料的制备将更多地考虑分子设计、材料结构、表面等。从纳米结构加工制造的角度看

3、，传统的以三束（光子束，电子束、离子束）技术为核心的微电子平面加工技术仍扮演主要角色。同时，以原子、分子装配等为基础的分子组装技术也越来越受到重视。对纳米对象的表征除了传统的观察测量技术，如谱学技术、电子显微镜技术外，采用了以STM（扫描隧道显微镜）、AFM（原子力显微镜）为代表的扫描力显微技术。纳米器件将沿两条路线进行：1）目前的微电子技术不断缩小加工尺度，为此需要发展新的功能材料和设计技术；2）量子效应纳米器件。,扫描隧道显微镜,STM是基于导电的样品和针尖之间的隧道电流的大小与它们之间的距离的增大呈指数关系下降的原理造成的。当针尖和样品距离小于1nm的时候，针尖中的电子波函数与样品表面的

4、电子波函数交叠，当把针尖与样品之间加上偏压时，就可以使它们之间的电子流动，这种现象在量子力学里被称为隧道效应或隧穿，它们之间的电流被称为隧道电流。STM就通过测量样品和针尖之间的隧道电流来工作。下面的公式表示了隧道电流和样品-针尖的距离之间的关系：IVe-cd其中，I是隧道电流，V是加在样品和针尖上的偏压，c是一个常数,d是样品-针尖之间的距离。,当导电金属针尖距离导电物质表面足够近时（1nm），探针针尖和物质表面就会有隧道电流通过，微弱的隧道电流信号可以被电路放大，并准确记录。隧道电流对样品表面之间的距离呈指数关系，根据量子理论计算，距离每减小0.1nm（一个氢原子的直径），隧道电流值会增加

5、10倍。在探针扫描时，通过测量这种隧道电流的变化就可以记录下物体表面的起伏情况，再经计算机重建后就可以获得反映物体表面形貌的直观图象。STM只能用于导体和半导体。,扫描隧道显微镜,扫描隧道显微镜,原子力显微镜,AFM的工作原理是通过用隧道电流检测力敏元件的位移来实现力敏元件探针尖端原子与表面原子之间的排斥力的监测，进而得到表面形貌。由于不需要在探针与样品间形成电回路，突破了样品导电性的限制，因而有更加广泛的应用领域。AFM达到了原子级分辨率。AFM由探头、电子控制系统、计算机控制及软件系统、步进电机样品自动逼近控制电路四部分构成。半导体激光器发出的激光束，经透镜会聚到微探针头部，微悬臂的尺寸大

6、约100微米左右。由微探针反射回来，再经一反射镜到达光斑位置敏感器，转化为电信号后，再由前置放大器放大后送给反馈电路。,当探针在样品表面扫描时，由于样品表面起伏不平而使探针带动微悬臂弯曲变化，而微悬臂的弯曲又使得光路发生变化，最终导致照射到光敏检测器上的激光光斑位置发生移动。光敏检测器将光斑位移信号转换成电信号，经放大处理后，计算机通过ADC采集每个X，Y坐标点所对应的反馈电路输出值，再转化为灰度级在监视器上显示出扫描范围中样品的表面形貌。,原子力显微镜,原子力显微镜,OUTLINE,纳米技术概述纳米半导体材料 碳纳米管和半导体纳米线量子点和量子线纳电子器件单电子晶体管分子结器件场效应晶体管逻

7、辑器件及其电路,纳米碳管,碳纳米管（Carbon nanotube）,1991年才被发现的一种碳结构。由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。石墨烯的片层一般可以从一层到上百层。,碳纳米管（Carbon nanotube）,含有一层石墨烯片层的称为单壁纳米碳管(Single walled carbon nanotube,SWNT)，直径一般为16 nm，最小直径大约为0.4 nm，SWNT的直径大于6nm以后特别不稳定，会发生SWNT管的塌陷，长度则可达几百纳米到几个微米。因为SWNT的最小直径与富勒烯分子类似，故也有人称其为巴基管或富勒管。多于一层的则称为多壁纳米碳管(Multi-w

8、alled carbon nanotube,MWNT)。SWNT的MWNT的层间距约为0.34纳米，直径在几个纳米到几十纳米，长度一般在微米量级，最长者可达数毫米。由于纳米碳管具有较大的长径比，所以可以把其看成为准一维纳米材料。,碳纳米管和半导体纳米线,一维纳米材料,碳纳米管因直径、手性不同而呈现不同的电学特性，即金属性或半导体性单壁碳纳米管：由于单壁纳米管间存在较强的范德瓦尔斯力，极易聚集成管束，且C-C共价键很强，其管壁结构几乎理想,碳纳米管可以看成是由石墨卷曲而成的封闭管，其结构可用螺旋矢量Ch和螺旋角来表征,其中Ch可表示为Ch=na1+ma2，其中a1,a2为基本矢量，因此具有螺旋矢

9、量Ch的碳纳米管也就可以用一组整数（n,m）表示，其称为碳纳米管的指数,碳纳米管的指数,碳纳米管组装器件的局限金属性或半导体性的碳纳米管难可控生长，不同电学特性的纳米管生长在一起，需后续分离半导体纳米线总是呈现半导体特性，其掺杂类型、浓度可控，纳米线的成分、尺寸、电学和光学特性等可在合成过程中合理控制,一维纳米材料,半导体纳米线 由于硅纳米线表面易氧化，通过氧化层保护,量子点和量子线,量子线碳纳米管平面内分布的自由电子将在某一方向形成量子线量子点自由电子在x，y方向都加以限制，形成量子点含有11000个可控制的电子,P307 图10.7,纳米材料的四大效应,小尺寸效应量子尺寸效应表面效应宏观量

10、子隧道效应,当超细微粒的尺寸与光波波长等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的效应。,小尺寸效应,光吸收显著增加出现吸收峰的等离子共振频移磁有序态变为磁无序态超导相变为正常相,当金属粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象，并且纳米半导体微粒存在不连续的被占据分子最高轨道和未被占据的分子最低轨道能级。能隙变宽现象称为量子尺寸效应。,量子尺寸效应,纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面

11、原子具有高的化学活性、催化活性、吸附活性,表面效应,微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，成为宏观的量子隧道效应。,宏观量子隧道效应,OUTLINE,纳米技术概述纳米半导体材料 碳纳米管和半导体纳米线量子点和量子线纳电子器件单电子晶体管分子结器件场效应晶体管逻辑器件及其电路,Nano Science and Technology,Insect,1 m,1 mm,1 m,1 nm,1,Molecular,Atom,MACRO-,MICRO-,Condensed Matter Physics,Meso-physics,bi

12、g barrier,NANOELECTRONICS,Animal,三代电子器件,真空电子管主要是将电子引入真空环境，成为自由电子，它具有较长的自由程。晶体管是利用固体中自由载流子通过相对的两个pn结，同时由基极注入结中的少数载流子与多数载流子复合来实现信号放大；MOS管是利用门（g）电压来控制（s）和（d）极间的电流实现信号放大。纳电子器件主要为单电子器件，量子效应是信号加工的基础。,纳电子学,电子技术的发展趋势要求器件和系统更小、更快和更冷，即集成度更高、响应和操作速度更快、功耗更底。在硅上，目前已经生产最小线宽为130nm的电路，再进一步发展到线宽小于100nm时，将会遇到两大难题：光刻技

13、术的限制，刻蚀尺寸已远小于所用光束波长，而且掩膜的平整度、基板的平整度以及两者之间的平行度已经成为工艺方面的不可逾越的障碍。工艺设备和研发的投资可能远远大于产品的回报。,解决的思路,目前可分为两种类型：一是研究开发最小线宽为20-50nm的器件，作为现有集成电路的进一步微型化延伸，大体延用目前的基本设计思想，但不能使用目前常用的光刻、参杂工艺，在材料上需要有新的突破，如使用有机物或聚合物，属于塑料电子学范畴，或称有机纳米电子器件。另一种是与经典集成电路完全不同的、利用量子效应构成的全新的量子结构系统，简称量子器件，可能的器件模式有量子点、量子线、量子阱、单电子晶体管、单原子开关、自旋电子器件、

14、共振隧道器件等，目前还都处于了解基本现象的原理阶段。,纳电子器件,分类分子电子器件：基于碳纳米管或单个C分子固体纳电子器件：基于半导体材料，单电子等特点电导的量子化库仑阻塞和单电子隧穿量子的相干特性显著,电导量子化,电导是在保持不同费米能级的电子之间的电子跃迁，对一维体系，考虑电子的自屏蔽作用，导出电导率与跃迁几率之间的关系的公式：C为与系统结构和特性有关的常数，T为电子的穿透几率。当T=1时，电阻为0。电导量子化，是量子点接触和单电子器件的基础。,电导量子化,满足量子条件的电导率是因子（e2/h）的函数，e2/h为电导量子。在单电子输运情况下，此因子为量子化台阶值。,库仑堵塞现象,当体系的尺

15、寸进入到纳米级，体系是电荷量子化的，即充放电过程是不连续的。充入一个电子的所需要的能量为：EC=e2/2C e为电子电荷，C为小体系的电容。体系越小，C越小，EC越大。EC称为库仑堵塞能。库仑堵塞能可以理解为前一个电子对后一个电子的库仑排斥。它导致了对一个小体系的充放电过程，电子不能集体传输。小体系的这种单电子输运行为被称为库仑堵塞效应。由于库仑堵塞效应的存在，电流随电压的上升不再是直线，而是呈现锯齿形状的台阶。,隧道效应,微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。如果两个量子点通过一个“结”连接起来，一个量子点上的单个电子穿过势垒到另一个量子点上的行为称为量子隧穿。对于一个纳米尺寸的隙缝，电容

16、量为C。若两极板上的电荷分别为q和-q，其静电能为q2/2C。如果它比电子的热能kBT大得多，电荷从一个极板到另一个极板的传输在低电压时应该受到抑制。当qqth=q/2C阈值时，两极板之间将有隧穿电流；当qqth时，隧穿消失，电流阻断。只要电源能提供电子，经过一段时间，q将超过qth，隧道又畅通，接着q又小于qth，阻塞又发生。如此往复，形成振荡。,纳电子器件的制造技术自上而下自下而上（未获突破）,自组织生长(自下而上),可控的自下而上的组装技术,纳电子器件所面临的问题如何获得性能稳定的晶体管如何组成纳电子器件逻辑电路解决纳电子器件电路中的信息处理,单电子晶体管,单电子晶体管是依据单电子隧道效

17、应和库仑堵塞效应的基本物理原理设计的纳米结构器件。将一个微结构用隧道结与金属导线弱连接起来，形成的电子器件被称为“单电子晶体管”。器件中的主要电荷迁移机制是非连续的单电子隧道穿越过程。由于这个过程起源于电荷之间的库仑静电相互作用，这个微结构被称为库仑岛。它可以是半导体纳米材料或金属纳米材料。,一旦某一电子隧穿进入一纳米粒子它会对随后而来的第二个电子进入该纳米粒子起阻挡作用,称为库仑阻塞现象.只有等这个电子离开该纳米粒子后外界的第二个电子才可能再进入该纳米粒子.利用这种库仑阻塞现象可能人为的控制电子单个的穿过具有纳米结构的器件,实现单电子隧穿过程.,单电子晶体管,运行机理电子隧穿库仑阻塞,P312 图10.11,库仑岛（量子点）,隧道结,两个隧道结之间围成库仑岛（量子点）,库仑岛,作业,解释单电子晶体管运行机理:电子隧穿和库仑阻塞。,