Микро- и наноэлектроника

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ






В.П. ДРАГУНОВ, Д.И. ОСТЕРТАК





                МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА





Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия












НОВОСИБИРСК
2012

УДК 621.382-181(075.8)
      Д721





Рецензенты:
О.В. Кибис, д-р физ.-мат. наук, проф.;
КЛ. Макаров, канд. физ.-мат. наук, доцент



Работа подготовлена на кафедре полупроводниковых приборов и микроэлектроники для студентов факультета радиотехники и электроники (направлений 210100 «Электроника и наноэлектроника» и 222900 «Нанотехнологии и микросистемная техника»)


        Драгунов В.П.

Д 721  Микро- и наноэлектроника : учеб. пособие / В.П. Драгунов,
     Д.И. Остертак. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2012.- з8 с.


         ISBN 978-5-7782-2095-9


          Настоящее учебное пособие предназначено для студентов, магистрантов и аспирантов, специализирующихся в области физики полупроводников и полупроводниковых приборов. Оно может быть также рекомендовано студентам других специальностей, научным работникам и инженерам, желающим самостоятельно изучать физику низкоразмерных систем или расширить и систематизировать свои знания в области физических основ наноэлектроники.
          Пособие состоит из пяти разделов, каждый из которых включает краткое теоретическое введение, примеры решения задач, задачи для решения на практических занятиях и самостоятельной работы.



УДК 621.382-181(075.8)





ISBN 978-5-7782-2095-9

                   © Драгунов В.П., Остертак Д.И., 2012 © Новосибирский государственный

технический университет, 2012

        ОГЛАВЛЕНИЕ


1. Проблемы миниатюризации.......................................4
2. Основные положения квантовой механики, используемые в наноэлектронике......................................................10
3. Особенности энергетического спектра частиц в системах пониженной размерности..................................................19
4. Влияние однородного электрического поля на энергетический спектр систем пониженной размерности.............................25
5. Распределение квантовых состояний в системах пониженной размерности ........................................................29
Ответы на задачи................................................33
Библиографический список........................................36
Приложение......................................................37

            1. ПРОБЛЕМЫ МИНИАТЮРИЗАЦИИ


        ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

   Для увеличения производительности интегральных схем П = N ■ F стремятся уменьшить размеры элементов. При этом увеличиваются степень интеграции (число вентилей N на кристалле) и тактовая частота F . На пути увеличения степени интеграции стоит проблема отвода тепла, выделяемого элементами интегральной схемы (ИС). Моделируя нагрузку КМОП-инвертора конденсатором емкостью С, можно показать, что при изменении выходного напряжения на 5 V от V до Vₒ и наоборот (5 V = р - Vₒ|) максимальная производительность ИС, отнесенная к единице площади поверхности кристалла, определяется теплопроводностью материала микросхемы, допустимым градиентом температуры и минимальной энергией, соответствующей одному биту информации (фактором качества С ■ 5V²). То есть
N ■ F < теплопроводность dT
S ~     С-5V²     dx '
   Основой успешного преодоления «тепловой» проблемы стала разработка принципов масштабирования физической структуры полупроводниковых приборов и в первую очередь принципа пропорциональной миниатюризации. В рамках этого принципа производится уменьшение всех трех размеров элементов (длины, ширины и высоты) в одно и то же число раз, а для сохранения неизменной напряженности электрического поля во столько же раз изменяется и напряжение источника питания.
   В рамках данного принципа масштабирования при заданной (неизменной) площади кристалла увеличение числа элементов (например, логических вентилей) может не сопровождаться увеличением общей рассеиваемой мощности.

4