Наноэлектроника. Элементы, приборы, устройства

Москва
Лаборатория знаний
2020

Г. Г. Шишкин, И. М. Агеев

НАНОЭЛЕКТРОНИКА
ЭЛЕМЕНТЫ
ПРИБОРЫ 
УСТРОЙСТВА

Рекомендовано 
Государственным образовательным 
учреждением высшего профессионального образования  
«Московский государственный технический 
университет имени Н. Э.Баумана» 
в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлениям
 210600 «Нанотехнология», 152200 «Наноинженерия»,
 210100 «Электроника и наноэлектроника»

Учебное пособие

4е издание, электронное

УДК 621.382(075.8)
ББК 38.852+32.844.1

Ш65

Шишкин Г. Г.

Ш65
Наноэлектроника. Элементы, приборы, устройства : учебное
пособие / Г. Г. Шишкин, И. М. Агеев. — 4-е изд., электрон. —
М. : Лаборатория знаний, 2020. — 411 с. — Систем. требования:
Adobe Reader XI ; экран 10".— Загл. с титул. экрана. — Текст :
электронный.
ISBN 978-5-00101-731-8
В учебном пособии излагаются физические и технологические основы
наноэлектроники, в том числе принципы функционирования и характеристики наноэлектронных устройств на базе квантово-размерных структур:
резонансно-туннельных, одноэлектронных и спинтронных приборов. Рассматриваются особенности квантовых компьютеров, электронных устройств
на сверхпроводниках, а также приборов нанобиоэлектроники. Каждая глава
снабжена контрольными вопросами и заданиями для самоподготовки.
Для студентов технических вузов, аспирантов, преподавателей и практических специалистов в области электроники.
УДК 621.382(075.8)
ББК 38.852+32.844.1

Деривативное издание на основе печатного аналога: Наноэлектроника. Элементы, приборы, устройства : учебное пособие / Г. Г. Шишкин,
И. М. Агеев. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. — 408 с. : ил. —
ISBN 978-5-9963-0638-1.

Издание
осуществлено
при
финансовой
поддержке
федеральной
целевой
программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»
на 2009–2013 годы по лоту «Проведение научных исследований коллективами
научно-образовательных центров в области нанотехнологий и наноматериалов»,
госконтракт № 02.740.11.0790 от 17 мая 2010 г.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных
техническими
средствами
защиты
авторских
прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков
или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-731-8
c○ Лаборатория знаний, 2015

В своей технологической деятельности человечество до
настоящего времени использует материалы данные изначально,
либо созданные искусственно, но создание их ограничено молекулярным уровнем. Нанотехнологии претендуют на новый уровень создания материалов и устройств, оперируя во многих случаях отдельными атомами. Независимая объединенная комиссия Королевской академии наук Великобритании и Королевской
академии инженерных наук предложила следующие определения нанонауки и нанотехнологии. Нанонаука есть изучение явлений и свойств материи на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровне в случае, когда эти свойства значительно отличаются от таковых при большем пространственном масштабе.
Нанотехнологией является конструирование, создание и применение структур, приборов и систем путем оперирования их формой и размерами на нанометровом уровне.
Изделия нанотехники и, в частности, наноэлектроники находятся на переднем рубеже достижений человечества. Уже
сейчас значимость нанонауки как для прикладных задач, так и
для фундаментальных исследований выступает на первое место, потеснив позиции космических исследований и исследований структуры материи. В ближайшем будущем предвидится
бурное развитие этой области знаний, что предполагает возможность для нее вместе с физикой сложных нелинейных динамических систем и квантовой физикой занять ведущее место
в процессе познания мира.
Одна из основных задач нанотехнологии в области электроники состоит в создании больших систем элементов, способных преобразовывать и запоминать информацию. Такими элементами
обычно являются участки твердого тела с различным типом проводимости и линиями связи. Однако прогресс наноэлектроники
не исключает возможности использования для ее целей органических материалов, сложных биологических молекул, таких, как

веение

Введение

протеины и нуклеиновые кислоты, и даже элементов биологических объектов.
Впервые некоторые концепции нанотехнологии были провозглашены Р. Фейнманом в его лекции «Внизу много места»
(“There’s many rooms in the bottom”) в 1959 г. Он рассмотрел
принципиальную возможность манипулирования материей на
атомном уровне, включая исследование и контроль в нанометровом диапазоне. Сам термин «нанотехнология» впервые был
применен исследователем из Токийского университета Norio
Taniguchi в 1974 г. при рассмотрении возможностей использования конструкционных материалов на нанометровом уровне.
В то время основным стимулом разработок в этой области, как
отчасти и сегодня, было развитие наноэлектроники. Отметим,
что нанометрового уровня в литографии фирма IBM достигла еще
в 1970 г., начав выпуск микросхем с разрешением 40—70 нм.
В 1981 г. был создан микроскоп, позволяющий исследовать отдельные атомы, а в 1985 г. была создана технология, позволяющая измерять объекты диаметром в 1 нм. Тем самым сформировались начальные условия для реализации и исследования наноразмерных объектов. Так, уже в 1998 г. был создан транзистор
на основе нанотехнологий.
Наибольший интерес в нанометровом диапазоне вызывает
его нижняя граница от 100 нм и ниже вплоть до атомного уровня (0,2 нм), поскольку в этом диапазоне свойства веществ могут
значительно отличаться от их свойств в макрообразцах. Это
связано с двумя обстоятельствами. Вопервых, возрастает роль
поверхности и поверхностных эффектов, вовторых, начинают
проявляться различные квантовые эффекты. Квантовые эффекты приводят к значительным изменениям оптических, электрических и магнитных свойств веществ.
Перед нанотехнологией открываются фантастические перспективы во многих областях техники, биологии, медицины.
При этом одной из важнейших областей применения нанотехнологий, во многом стимулирующей ее развитие, является электроника (в более широком плане — электроника, оптоэлектроника и компьютерная техника).
Так, в области электроники и оптоэлектроники в ближайшей перспективе рассматривается возможность расширения
параметров радиолокационных систем за счет применения фа

Введение 
5

зированных антенных решеток с малошумящими СВЧтранзисторами на основе наноструктур и волоконнооптических линий
связи с повышенной пропускной способностью с использованием фотоприемников и инжекционных лазеров на структурах с
квантовыми точками; совершенствования тепловизионных обзорноприцельных систем на основе использования матричных
фотоприемных устройств, изготовленных на базе нанотехнологий и отличающихся высоким температурным разрешением;
создания мощных экономичных инжекционных лазеров на основе наноструктур для накачки твердотельных лазеров, используемых в фемтосекундных системах.
В области компьютерной техники применение нанотехнологий в принципе позволяет конструировать системы, состоящие из тысяч центральных процессоров с параметрами лучше современных, и располагать такие системы на площади
менее одного квадратного миллиметра. При этом параметры
человеческого мозга будут превышены по числу элементов
в 1000 раз, по быстродействию в 109 раз, по плотности упаковки
в 109 раз.
Для увеличения чувствительности, снижения уровня шумов,
уменьшения теплового заселения рабочих энергетических уровней в используемых материалах и средах многие из микроэлектронных и наноэлектронных приборов и систем требуют
при своей работе криогенного охлаждения. Необходимость охлаждения до низких температур является препятствием в широком практическом использовании таких элементов и приборов на их основе. Однако в наноструктурах столь глубокое охлаждение может быть полезным, так как оно существенно
снижает скорость как взаимной диффузии, так и самодиффузии
компонентов рабочего вещества. Изза крайне малых размеров
наноэлектронных устройств существует опасность их диффузионной деструкции при изготовлении и эксплуатации. В настоящее время вопросы обеспечения стабильности наноструктур и
уменьшения их диффузионной деградации до конца не решены.
Все сказанное обусловливает необходимость подготовки
квалифицированных специалистов по наноэлектроникие. В то
же время создание учебной литературы в этой области наталкивается на определенные трудности, поскольку конкретные
технологические приемы, использующиеся при изготовлении
изделий наноэлектроники, непрерывно и чрезвычайно быст

Введение

ро развиваются и совершенствуются. Поэтому в данной книге значительная часть материала посвящена физическим основам функционирования наноэлектронных приборов. Конкретные цифры, характеризующие технологию или параметры
существующих и разрабатываемых приборов, при этом являются в значительной мере условными и, вероятно, быстро ус
тареют.
Поскольку существующие программы подготовки студентов
не предполагают знания ими квантовой механики, физики
твердого тела и электроники в объеме, достаточном для понимания принципов действия многих наноэлектронных приборов, в
учебном пособии даются ссылки на соответствующую литературу и излагаются также основные принципы действия полупроводниковых электронных приборов.
Содержание учебного пособия в целом соответствует программе обучения по направлениям 210600 «Нанотехнология»,
152200 «Наноинженерия», 210100 «Электроника и наноэлектроника» и специальностям 202000 «Нанотехнологии в электронике» и 073800 «Наноматериалы». Кроме того, материалы пособия
могут быть использованы в качестве существенного дополнения,
отражающего последние научнотехнические достижения в области электроники, при изучении дисциплин «Электроника», «Физические основы микроэлектроники» и смежным с ними курсов
для направления подготовки 210000 «Электронная техника, радиотехника и связь», в частности 210300 «Радиотехника».
Работа между авторами распределилась следующим образом: главы 1—3 написаны И. М. Агеевым, главы 4—7 написаны
Г. Г. Шишкиным, глава 8 написана авторами совместно.

Физические и технологические основы наноэлектроники

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

1.1. Основные положения квантовой механики,
используемые в наноэлектронике

Нанотехника и наноэлектроника имеют дело с объектами,
характерные размеры которых относятся к нанометровому
диапазону. Свойства таких объектов (к ним относятся, в частности атомы, молекулы и другие микрочастицы) описываются
квантовой механикой (см. например, [26]). Процессы, происходящие в микромире, почти полностью лежат за пределами чувственных восприятий, и поэтому понятия квантовой теории лишены наглядности, присущей классической физике.
В основе квантовой механики лежит представление о том,
что поведение микрообъектов (микрочастиц) описывается
функцией состояния — волновой функцией, или Ψфункцией.
Волновая функция зависит от пространственных координат qi
и от времени. Квадрат модуля волновой функции |Ψqi(t)|2 пропорционален вероятности обнаружения соответствующих значений qi
в момент времени t при измерении, т. е. при взаимодействии
микрообъекта с макроскопическим прибором. Изменение во времени состояния объекта можно определить, решая дифференциальное волновое уравнение Шредингера для Ψфункции или используя операторный метод, предложенный В. Гейзенбергом.
Идею дуализма, т. е. сочетания в одном квантовом объекте
корпускулярных и волновых свойств, впервые высказал Луи де
Бройль, который предположил, что частице с полной энергией Е
(включающей и релятивистский член — энергию покоя m0c2)
и импульсом может быть поставлена в соответствие волна,

Глава1

аел1
ФИЗИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

Раздел 1. Физические и технологические основы наноэлектроники

длина которой λ и частота ω связаны с энергией и импульсом соотношениями

E = Вω, в = Ве, λ = h/p,
(1.1)

где В = 
, h — постоянная Планка, е — волновой вектор, равный по модулю 
.

Из квантовой теории следует ряд принципов, имеющих основополагающее значение для наноэлектроники. Первый из них —
квантование. Его сущность состоит в том, что некоторые физические величины, описывающие микрообъект, в определенных
условиях принимают только дискретные значения. Так, например, квантуется энергия электрона при его движении в области пространства, размер которой сравним с длиной волны де
Бройля для этой частицы. Квантование энергии электрона
означает, что она может иметь только лишь некоторый дискретный набор значений. Каждому из этих значений сопоставляют
энергетический уровень, соответствующий данному стационарному состоянию. Находясь в стационарном состоянии, электрон
не излучает фотоны. Излучение происходит только при переходе из одного состояния в другое.
Фундаментальным законом квантовой механики является
принцип неопределенности Гейзенберга, заключающийся в
том, что существуют пары сопряженных величин, характеризующих параметры частиц, которые не могут быть определены
с произвольной точностью одновременно. Например, нельзя одновременно измерить положение частицы и ее импульс, проекции момента импульса на две взаимоперпендикулярных оси, а
также энергию частицы в возбужденном состоянии и время
жизни в этом состоянии. И дело, естественно, не в качестве измерительной аппаратуры, а в принципиальной невозможности
таких операций. Математически принцип неопределенности
можно выразить в виде неравенств

вx вpx е В, вE вt е В,
(1.2)

где вх, врx, вE, вt — неопределенность, т. е. интервал значений, координаты, проекции импульса, энергии и времени.
Еще один фундаментальный принцип квантовой механики,
а именно принцип тождественности одинаковых микрочастиц, в сочетании с наличием у них собственного механического

h
2π
------
2π
λ
------