Наноэлектроника

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 
И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) 
 
ФАКУЛЬТЕТ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ (ФДО) 
 

 

 
 
 
 П. Н. Дробот  

 

 

 

 

НАНОЭЛЕКТРОНИКА 
 

 

 

 

 

Учебное пособие 

 

 

 

 

 

 

 

Томск 
2016 

УДК
621.38-022.532(075.8)  
ББК 
32.85я73 
 
Д 750 
 

Рецензенты: 

С. В. Мельченко, канд. физ.-мат. наук, директор Института инноваций  

Санкт-Петербургского национального исследовательского университета  

информационных технологий, механики и оптики; 

С. Г. Михальченко, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой  

промышленной электроники, заместитель директора НИИ промышленной 

электроники ТУСУР. 

 
 
Дробот П. Н. 

Д 750 
Наноэлектроника: учебное пособие / П. Н. Дробот. – Томск : 

ФДО, ТУСУР, 2016. – 286 с. 

 

Учебное пособие целостно показывает весь материал в развитии – от по
лупроводниковой электроники к наноэлектронике, от квантовой физики к кван
товым свойствам электронов в наноэлектронных приборах на квантовых эф
фектах. Рассмотрены новейшие материалы: молибденит, алмаз, антимониды 

и арсениды индия, углеродные нанотрубки, графен и приборы на их основе.  

 

 

 

 

 

 

© Дробот П. Н., 2016 

© Оформление. 

ФДО, ТУСУР, 2016

Оглавление 

Введение ................................................................................................................ 6 

1 История наноэлектроники  и нанотехнологий .......................................... 9 

1.1 Bell Telephone Company: от изобретения телефона   

до изобретения транзистора ....................................................................... 9 

1.2 Гордон Мур: от компании Шокли до компании Intel,   

закон Мура ................................................................................................. 14 

1.3 Наноразмерные объекты  в традиционной полупроводниковой 

электронике ................................................................................................ 19 

1.4 Внедрение в микроэлектронику новых эпитаксиальных   

и ионно-лучевых (плазменных) технологий .......................................... 22 

1.5 Технологические проблемы на пути перехода от микро-   

к наноэлектронике .................................................................................... 30 

1.6 Физические проблемы и новые подходы к созданию  

электроники наноразмерных элементов и наноструктур ..................... 35 

2 Необходимые сведения из квантовой физики .......................................... 40 

2.1 Переход от классической физики к квантовой ...................................... 40 

2.2 Работы Эйнштейна .................................................................................... 48 

2.3 Работы Резерфорда и Бора ....................................................................... 52 

2.4 Волны де Бройля и квантово-волновой дуализм   

частиц вещества ........................................................................................ 58 

2.5 Волновая механика и уравнение Шредингера ....................................... 61 

2.6 Принцип запрета Паули, вырождение состояний   

и снятие вырождения под внешним воздействием ............................... 70 

2.7 Образование энергетических зон и их заполнение в кристаллах ........ 74 

2.8 Соотношение неточностей Гейзенберга ................................................. 77 

3 Квантовое поведение электронов в кристалле ........................................ 82 

3.1 Уравнение Шредингера для кристалла ................................................... 82 

3.2 Модель Кронига – Пенни ......................................................................... 84 

3.3 Переход к нанофизике полупроводников ............................................... 89 

3.4 Поведение носителей заряда в прямоугольной потенциальной 

яме. Квантовое ограничение .................................................................... 92 

3.4 Квантовые структуры с двумерным электронным газом ..................... 96 

3.5 Квантовые структуры с одномерным электронным газом ................... 98 

3.6 Квантовые структуры с нульмерным электронным газом ................. 100 

3.7 Баллистический транспорт ..................................................................... 103 

3.8 Туннелирование ...................................................................................... 106 

4 Полупроводниковые гетеростуктуры  и сверхрешетки ....................... 110 

4.1 Гетеропереходы и гетероструктуры ...................................................... 111 

4.2 Сверхрешетки .......................................................................................... 117 

5 Технологии формирования  квантоворазмерных наноструктур ....... 123 

5.1 Формирование квантовых ям ................................................................. 125 

5.2 Формирование квантовых точек............................................................ 126 

5.3 Формирование квантовых проволок (нитей) ....................................... 131 

6 Квантовые эффекты .................................................................................... 135 

6.1 Двумерный электронный газ в магнитном поле .................................. 135 

6.2 Целочисленный и дробный квантовый эффект Холла........................ 136 

6.3 Эффект Ааронова – Бома ....................................................................... 140 

6.4 Квантово-размерный эффект Штарка ................................................... 143 

6.5 Квантово-размерный туннельный эффект ........................................... 150 

6.6 Эффект Джозефсона ............................................................................... 153 

6.7 Кулоновская блокада .............................................................................. 162 

6.7.1 Кулоновская блокада с одним туннельным переходом ............. 163 

6.7.2 Кулоновская блокада с двумя туннельными переходами ......... 166 

6.7.3 Сотуннелирование ......................................................................... 168 

6.8 Квантовое магнетосопротивление. Спинтроника ................................ 170 

6.9 Эффект Кондо .......................................................................................... 177 

7 Устройства наноэлектроники .................................................................... 183 

7.1 Приборы на одноэлектронном туннелировании .................................. 183 

7.1.1 Одноэлектронный транзистор ...................................................... 184 

7.1.2 Одноэлектронный насос (стандарт силы тока).  

Одноэлектронная память ............................................................. 187 

7.2 Приборы на резонансном туннелировании .......................................... 192 

7.2.1 Диоды на резонансном туннелировании ..................................... 192 

7.2.2 Транзисторы на резонансном туннелировании .......................... 196 

7.2.3 Логические элементы на резонансно-туннельных 

приборах......................................................................................... 198 

7.3 Приборы на основе сверхрешеток ......................................................... 202 

7.3.1 Инфракрасные фотоприемники .................................................... 203 

7.3.2 Сверхрешетки в лазерных структурах ......................................... 205 

7.3.3 Лавинные фотодиоды .................................................................... 210 

7.3.4 Оптические модуляторы ............................................................... 212 

7.4 Транзисторы для СВЧ-электроники ...................................................... 214 

7.4.1 Транзисторы с высокой подвижностью (НЕМТ) ....................... 216 

7.4.2 Транзисторы на основе SiGe-технологии .................................... 222 

7.4.3 Транзисторы на основе технологии нитрида галлия (GaN)  

на подложке из карбида кремния (SiC) ...................................... 225 

7.5 Перспективные материалы и приборы ................................................. 227 

7.5.1 Молибденит MoS2 – перспективный материал 

наноэлектроники ........................................................................... 227 

7.5.2 Алмаз как материал для СВЧ-приборов ...................................... 231 

7.5.3 Транзисторы на антимонидах и арсенидах индия ...................... 233 

7.5.4 Транзисторы на углеродных нанотрубках .................................. 236 

8 Графеновая электроника ............................................................................ 244 

8.1 Получение и открытие свойств графена ............................................... 244 

8.2 В направлении к графеновой электронике ........................................... 247 

8.3 Первые транзисторы на графене ........................................................... 252 

8.4 Создание графеновой транзисторной технологии GNRFETs ............ 253 

8.5 Высокоскоростные графеновые транзисторы ...................................... 255 

Заключение ....................................................................................................... 259 

Литература........................................................................................................ 261 

Глоссарий .......................................................................................................... 276 

 
 

Введение 

 

Наноэлектроника – это раздел электроники, который происходит от пред
варяющего его раздела электроники – микроэлектроники, предшествующего 

как по хронологии развития, так и по малости размера элементов (диоды, тран
зисторы и другие) интегральных микросхем. В 1959 г. Р. Нойсом была изобре
тена первая микросхема, для изготовления которой впервые использовались 

в сочетании следующие технологии: планарный процесс, разделение элементов 

запертыми p-n-переходами и покрытие из двуокиси кремния SiO2 для защиты 

p-n-переходов и других элементов в нужных местах кремниевой подлож
ки [1, 2]. 

С этого момента технология микросхем постоянно совершенствовалась 

в целях дальнейшего уменьшения размеров элементов микросхемы. Количество 

этих элементов на единице площади микросхемы постоянно увеличивалось, а в 

1965 г. Г. Муром был эмпирически установлен закон, в соответствии с которым 

число транзисторов на кремниевой подложке будет удваиваться каждые 24 ме
сяца. Закон Мура продолжает в этом виде действовать поныне, с небольшим 

отклонением, немного ускорившись до удвоения за 18 месяцев [2]. Об этом и о 

многом другом говорится в первой главе, в частности об истоках этих достиже
ний – потребности людей общаться друг с другом быстро и удобно, через лю
бые расстояния, в любое время. Для этого был изобретен телефон Белла (Bell, 

1876), создано инновационное телефонное предприятие «Компания телефонов 

Белла» (Bell Telephone Company, 1877), внутри которой подразделение Лабора
тория телефонов Белла (Bell Telephone Laboratory) занималось исследованиями 

и разработками. Именно здесь в 1936 г. была начата работа по изготовлению 

твердотельных переключающих и усиливающих устройств для замены вакуум
ных ламп и электромеханических реле в узлах телефонной связи. Эти работы 

были прерваны Второй мировой войной, но в послевоенные годы руководство 

Bell Telephone Laboratory формирует программу глобальной связи – быстрой и 

надежной связи каждого с каждым в планетарном масштабе. 

Динамика уменьшения размеров элементов микросхемы на уровне 

100 нанометров обозначает рубеж перехода в эру нанотехнологий. Возможно, 

рубеж 100 нм выглядит условным. Но если вдуматься в смысл чисел, то с фор
мализованной точки зрения все становится понятным. Если до некоторого мо
мента мы имеем дело с микроразмерами элементов, с микроэлектроникой, 

то обозначить переход к существенно другой области размеров можно по кри
терию уменьшения размеров микроэлементов. То есть так, как это принято 

в физике и технике – как уменьшение на порядок. В физике и технике измене
ние на порядок означает изменение в 10 раз и это существенное изменение. 

Поэтому рубеж в 100 нм, или 0,1 мкм, означает уменьшение на порядок 

относительно микронных размеров. Такое существенное уменьшение размеров, 

вероятно, должно приводить к существенным качественным изменениям как 

в наноэлектронике, так и в нанотехнологиях. Изучению этих качественных из
менений и новых возможностей электроники и технологий посвящены главы 

настоящей книги.  

Однако изучение наномира, в котором расстояния и размеры элементов 

сопоставимы с размером атома и с межатомным расстоянием в кристаллах по
лупроводников, невозможно без хорошего понимания квантовой физики. Это – 

сложный предмет, законы квантовой физики непривычны. Но ведь квантовая 

физика стала возникать на базе классической физики. Постепенное изучение 

квантовой физики в той последовательности, в которой она развивалась, позво
лит успешно разобраться в закономерностях квантового наномира. Для этого 

предназначена глава 2, а в главе 3 законы квантовой физики применяются к по
ниманию поведения электронов в полупроводниках. 

 

Соглашения, принятые в учебном пособии 

Для улучшения восприятия материала в данном пособии используются 

следующие пиктограммы и специальное выделение важной информации. 

·······························································  

Эта пиктограмма означает определение или новое понятие. 

 ·······························································  

 ·······························································  

Эта пиктограмма означает теорему. 

 ·······························································  

 ·······························································  

Этот блок означает «Внимание!». Здесь выделена важная 

информация, требующая акцента на ней. Автор здесь может 

поделиться с читателем опытом, чтобы помочь избежать некоторых 

ошибок. 

 ·······························································  

 ·······························································  

В блоке «На заметку» автор может указать дополнительные 

сведения или другой взгляд на изучаемый предмет, чтобы помочь 

читателю лучше понять основные идеи. 

 ·······························································  

 ·······························································  

Эта пиктограмма означает цитату. 

 ·······························································  

 ·······························································  
Контрольные вопросы по главе  
 ·······························································  

 

 
 

1 История наноэлектроники  

и нанотехнологий  

 

1.1 Bell Telephone Company: от изобретения телефона  

до изобретения транзистора 

«Все очень просто, если знать историю». Не бывает хорошего живописца, 

не знающего историю живописи, не бывает хорошего музыканта, который 

не знает историю музыки. Точно так же не может быть хорошего ученого или 

инженера, не знающего историю своей профессии. 

Отправной вехой на пути к транзистору, микро- и наноэлектронике явля
ется изобретение телефона и два определяющих понятия: «телефон» и «гло
бальная связь». 

В 1876 г. Александр Грэхем Белл изобрел звуковой электрический теле
фон, а через год он основал собственную компанию и назвал ее, как это часто 

бывает, собственным именем – Bell Telephone Company. Основной бизнес – 

услуги связи и производство электротехники для этого. Через год был основан 

первый городской телефонный узел, и такие узлы появились в крупных городах 

США, для их обслуживания была создана компания Bell System. 

В 1885 г. была организована «дочка» Bell Telephone Company – American 

Telephone and Telegraph (АТТ), она развивалась так бурно, что через 15 лет 

в 1899 г. смогла выкупить Bell Telephone Company и стать владельцем компа
нии Bell System. АТТ долго оставалась монополистом рынка связи в Америке. 

Внутри АТТ имелись электротехническое подразделение Western Electriс Com
pany и исследовательское подразделение, слияние которых в 1925 г. привело 

к образованию исследовательского центра АТТ – Bell Telephone Laboratories, 

сокращенно Bell Labs. И здесь в названии R&D центра АТТ присутствует имя 

Белла. Bell Labs расположилась в городке Мюррей Хилл в штате Нью-Джерси 

на северо-востоке США. 

·····························································  

 В 1996 г. от АТТ отделилась компания Lucent Technologies, 

и АТТ потеряла и Bell Labs, и Western Electric. Тем не менее, 

в Мюррей Хилл в 2003 г. открыта Bell Labs Nanofabrication – Лабо
ратория нанотехнологий Нью-Джерси. И снова имя Белла уже ря
дом с нанотехнологиями. 

 ·····························································  

В 2006 г. Lucent Technologies слилась с французской компанией Alcatel –

образована Alcatel-Lucent, а Bell Labs теперь – R&D центр Alcatel-Lucent. 

В 2008 г. в Alcatel-Lucent свернули исследования по физике полупроводников 

и полупроводниковой электронике, а Bell Labs занимается исследованиями 

в коммерческих интересах Alcatel-Lucent. Но за многие десятилетия исследова
тельский центр Bell Labs внес выдающийся вклад в развитие электроники – 

и микро-, и нано-. Открытия и инновации Bell Labs были критическими и в гло
бальной связи и оказали значительное влияние на технологическую базу миро
вой экономики. Например, это изобретение транзистора в Bell Labs в 1947 г., 

путь к которому начался на 10 лет раньше, пять лет из которых были бесплодно 

поглощены Второй мировой войной. 

 ······························································  

В 1936 г. директор Bell Labs Мервин Келли формирует группу 

ученых для исследований по замене в узлах телефонной связи лам
повых усилителей полупроводниковыми [2]. 

 ·····························································  

Группу возглавил Дж. Беккер, привлекший теоретика У. Шокли и вели
колепного экспериментатора У. Браттейна. Шокли окончил докторантуру 

в Массчуссетском технологическом институте (MIT) и поступил на работу 

в Bell Labs.  

В 1931 г. А. Вильсон опубликовал теорию полупроводников, построен
ную на новейшей квантовой физике [3], и стало возможным объяснить многие 

эффекты в полупроводниках, например выпрямление. Поэтому в 1938 г.