Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 100
Текст из файла (страница 100)
входящих в состав одной только микросхемы, удваивается каждые полтора (два?) года. Однако на пути продолжения этой тенденции встают барьеры: технологический, физический, энергетический... Так, фотолитографическая технология, лежащая в основе технологии производства интегральных схем, достигла своего физического совершенства.
Сейчас на подходе рентгеновская н лазерная литография. Лазерная литография позволяет получить разрешение элементов схемы лучше 10 нм. Процесс печати схемы занимает всего 250 нс. Иа преодоление технологического барьера направлена американская программа "Тйе )чаз!опа! Тесйпо!оду Воадшар (ог Яеш!сопоцсгогз". В соответствии с этой программой к 20!5 году будут проектироваться транзисгоры с шириной затвора 20 им при технологической норме 30 нм. Будут увеличены площади кристаллов интез з гральных схем до 10 см . Это позволит разместить на кристалле 10 вентилей.
При этом рабочая частота составит 30 Гц- — 30! Рц. Однако до сих пор множество вопросов, касающихся преодоления физических барьеров, остаются нерешенными. Среди них известная проблема межсоедииений; в современных интегральных схемах лишь 10% площади занято транзисторами, а 90% межсоединениями. Масштабирование элементов транзисторных структур с целью перехода от микро- к нанометровым масштабам является весьма деликатным процессом. Создать зранзисторные структуры в нанометровом масштабе сегодня уже под силу серьезным фирмам. Однако так и не решены вопросы их интеграции, вопросы создания групповой технологии производства интегральных схем в нанометровом масштабе, создание новых или традиционных компонентов интегральных схем. В тРадиционных схемах микроэлектронной схемотехники устройства всегда имеют вход" и "выхол", которые пространственно Разделены и локализованы в электрической схеме, а также в определенных контактах интегразьной схемы.
Все связи в интегральных схемах реализованы с помощью гальванических или емкостных связей, Реализация таких ~вязей осуществляется путем изменения типа проводимости исходной подложки и создания Различных энергетических барьеров на пути потока носителей (электроны, дырки). г(нформация обрабатывается н хранится в виде отдельных битов (логические нуль н единица), которые физически реализуюгся в виде тока, напряжения или заряла в определенной точке интеграчьцой схемы. Совсем иная физическая картина рисуется при рассмогрении наноэлектрониых устройств.
гыеньшение размеров на несколько порядков практически меняет физические основы Часть И. Микроэлектроника 47б работы наноэлементов. Так, в наноэлементе используются уже не электроны, как части цы, переносящие электрический заряд, а нх волновые функции. Процессы дрейфа и диф. фузии, характерные для микроэлектронных элементов, и вовсе отсутствуют в наноэлек. тронных элементах. В основе наноэлементов лежат полевые связи, сформированные цо.
генциальные барьеры. "Вход" и "выход" элемента локализованы не в пространстве, а „, времени. В наноэлектронных структурах определение "входа" или "выхода" возможно только в определенные промежутки времени, когда существучгг определенный порог внешних воздействий, соответствующий "входу" нли "выходу", Этот промежуток време. чн полу ~ил название рефраклюрного лериог)а и с его помощью обеспечивается распро -гранение сигнала в определенном направлении.
Переход от одного устойчивого состоя чия наноструктуры в другое происходит через возбужденные неустойчивые состояния <ак правило, наноэлелтронный элемент состоит из набора квантовых ям и потенциальных 1арьеров, Энергетический спектр таких элементов зависит от размеров, а добавление зишь одного электрона существенно меняет энергетическую диаграмму В микроэлекгронике функциональный логический элемент представляет сооой совокупность струк урных компонентов — резисторов, конденсаторов, диодов и транзисторов. В наноэлек.Ронике структурированные компоненты обладают свойством многофункциональности, :пособны выполнять сложные динамические функции. 3 качестве материалов и~делий микроэлектроники используются легированные полупроюдники.
В наноэлектронике применяются гетероструктуры, наноструктурированные затериалы, кластеры, органические материщзьь Технология формирования наноструктур >скована на процессах направленного роста, методах, связанных со сканирующим тун~ельныы и атомным силовым микроскопами. Если плотность размещения активных элек .ч тентов в интегральных схемах достигает 1О см", то в устройствах наноэлектроники она м южет достигать 1О - -10 элементов на квадратный сантиметр.
Наноэлементы дают вози южность получать излучатель и приемник в диапазонах частот 1Π— 1О ' Ец, 15.2. Начала нанозлектроники 1од ииноэлекщроннкои понимают направление электроники, в котором изучается физиеские явления н процессы взаимодействия электронов с элекгромагнитными полями, а акже разработка нанотехнологии создания приборов и устройств, в которых данное заимодействие используется для передачи, обработки н хранения информации. 1од нанотехнологией будем понимать совокупность способов и приемов создания але~витов и приборов нанометровых размеров, в том числе из отдельных молекул и атомов.
1сключительно малая инерционность электронов позволяет эффективно использовать заимодействие электронов с микрополями внутри атома, молекулы или кристаллически~ ешетки лля создания приборов и устройств нового покочения, отличающихся высокой Роизводительностью, ничтожным потреблениеьз энергии, сверхлзиниатюрными Рыже амн. 1аноэлектроника является логическим развитием микроэлектроники. Твердотельные " е ннормационные приборы уменьшились от микро- Г10 ' и) до нанометрового Г10 м~ Р эзера. 1о мере приближения характерного размера твердотельной структуры электронного пр о притовые ора к наномстроаой области, соизмеримой с размерами атомов, проявляются кванте войства электронов.
Если в микроэлектронных приборах поведение элок~рона опредь е еляось поведением элементарной частицы, иьзеюн~ей массу н заряд, то в наноэлектрон нных Риоорах повеление электрона определяется его волновьщн свойствами. 15, От микро- и наноэлектронике Де-бРойлевскаа длина волны электРона Равна 6 Л,=— 2кЬ/' ,/~~„)г ' где Р=т,, )г — импульс электрона, т„— масса электрона, 1'-- скорость его движения, д — постоянная Планка. Импульс электрона Р связан с ускоряющим напряжением соотношением Р = чт2гггЕ, 1ггт где )' — ускоряющее напряжение, й; Л -- длина волны, А. Движение электрона как волны описывается уравнением Шредингера для иерелятивист- ских электронов и уравнением Дирака для релятивистских.
В нанозлелтронике обычно используются нерелятивистские электроны. Для электрона массой т„., движущегося под действием силы, порождаемой потенциалом Г(х, у, х, т), уравнение Шредингера имеет внд: дг гй — = — ттьг -'; 1'(г) и Нг)г дг 2аге (15.1) или с г г — з7 +!'(г) ж= Ег1г, 2ш (!5.2) д' д д' гче г — функция положения электрона в пространстве, 5т = †, + †„ + — -- оператор дх' ду" о=' ))апласа, Н вЂ” оператор Гамильтона, Š— полная энергия электрона, г)г — волновая функция (собственная функция уравнения). Смысл функции гр состоит в том, что величина гУ "'зг г)хт)усе является вероятностью нахожления электрона в объеме г(хИуН=, а г)г' — комплексно сопряженная величина Чг. Движение электрона в своболном пространстве р(г) -- С описывается уравнением л~ — — г2 ж=Егу, 2т решение этого уравнения пишегся в виде 2т где Л вЂ” волновой вектор, опредсляемый как 1к~ =- Л = —.
Л где Š— энергия электрона. Для определения длины волны электрона удобно пользовать- ся практической формулой Часть I/ Микроэлектроника -1в рис. 15.1 приведена уникальная фотография, экспериментально подтверяодаюшая на. ,ичие де-бройлеровской волны. В лаборатории фирмы 1ВМ с помощью туннельного мн„ 1оскопа удалось рассадить атомы кобальта вдоль периметра кольна диаметролз 20 нм „ зоверхности меди Рис. 15.1. Атомы кобальта нв медной подложке :.сли внутри кольна поместить еще один агом кобальта, то возникнет его изображени~ ~нверсное относительно центра кольца.
Эффелт инверсности обьясняется нюерференцн,й де-бройлеровской волны атома кобальта на периодической решетке друпэх атомов 1озникновение или отсутствие изображения зависит от положения вновь нмплантиро~анного атома. Если де-бройлеровские волны складываются в фазе в процессе конструкивной интерференции, то изображение появляется.
При деструктивной интерференции ню исчезает. 1зображение интерференции удалось получить именно на туннельном микроскопе. Эта ;артинка — одно из доказательств волновой природы отдельного атома нли электронов |нешних его орбит. 'ассмотрим квантовые эффекгы, лежащие в основе функционирования элементов, пред~азначенные для кодирования, обработки и хранения информационных сигналов. Распротранение волновой функции электрона в твердотельных наноразмерных структурах свяано с эффектом квантового ограничения, интерференцией, днфракцией волновой функ1ии электрона, туннелирования через потенциальные барьеры. 'ассмотрим квантовые эффекты, наноразмерные структуры н явления взаимодействия шжду ними. 1 приборах квантовой наноэлектроника роль носителя информации отводится волновой йункции электрона, Такой полход в обработке, предоставлении и хранении информации водится к контролируемой передислокации волновой функции в наноструктуре.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
