Наноэлектроника и наносхемотехника телекоммуникационных устройств

 
 
 
 
 
 
В. А. Галочкин 
 
 
 
 
НАНОЭЛЕКТРОНИКА 
И НАНОСХЕМОТЕХНИКА 
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ 
УСТРОЙСТВ  
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024
 
 

 
УДК 621.38 
ББК 32.844.1 
Г16 
 
 
Рецензент:  
д. т. н., профессор А. И. Тяжев  
(Поволжский государственный университет 
 телекоммуникаций и информатики (ПГУТИ), г. Самара) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Галочкин, В. А. 
Г16  
Наноэлектроника и наносхемотехника телекоммуникационных устройств : учебное пособие / В. А. Галочкин. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2024. – 260 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1705-1 
 
Рассмотрены вопросы построения современной и перспективной 
элементной базы телекоммуникационных устройств на основе новых научных знаний о природе строения материалов, о физике твердого тела, о молекулярной и квантовой электронике. 
Для бакалавров и специалистов по телекоммуникационным направлениям подготовки: 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 11.03.01 «Радиотехника», 11.05.02 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», 11.05.01 «Радиоэлектронные 
системы и комплексы», 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника», 27.03.04 «Управление в технических системах», а также для инженерно-технических работников, изучающих электронику и схемотехнику. 
 
УДК 621.38 
ББК 32.844.1 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1705-1 
” Галочкин В. А., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
 

 
 
 
 
 
                  
 
 
  
 
 Мы живем в эпоху, когда расстояние от самых 
                              безумных фантазий до совершенно реальной 
                              действительности сокращается с невероятной  
                              быстротой. 
 
М. Горький 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Глоссарий ................................................................................................................ 9
Предисловие 
.......................................................................................................... 12
Введение. О базовых знаниях при изучении устройств 
телекоммуникаций и телевещания 
..................................................................... 14
Раздел 1. Нанотехнологии и перспективная элементная                                              
база телекоммуникационных устройств 
............................................................ 29
1.1. Основные понятия 
.................................................................................... 29
1.2. Закон Мура 
................................................................................................ 30
1.3. Проблемы при манипуляции с индивидуальными                                
атомами и молекулами ................................................................................... 33 
1.4. Краткая справка по истории нанотехнологий ....................................... 34
1.5. Контрольные вопросы к разделу 1 ......................................................... 37 
Раздел 2. Законы квантовой механики как основа создания 

перспективной элементной базы телекоммуникационных устройств .......... 38 
2.1. Основные понятия и законы квантовой физики 
.................................... 38
2.2. Постулаты Бора и квантование орбит .................................................... 39
2.3. Корпускулярно-волновой дуализм нанообъектов 
................................. 40
2.4. Квантовые пределы точности измерений .............................................. 41
2.5. Волновая функция и вероятностный характер поведения 

квантовых объектов ........................................................................................ 43
2.6. Квантовые размерные эффекты .............................................................. 46
2.6.1. Размерное квантование (квантовые ограничения). 

Квантовые ямы, нити, точки .......................................................................... 46
2.6.2. Туннелирование. Сверхрешетки 
.......................................................... 51
2.6.3. Квантовые наноструктуры – гетеропереходы,                
гетероструктуры 
.............................................................................................. 56
2.7. Почему нельзя смешивать законы классической                                            
и квантовой физики 
......................................................................................... 57
2.8. Квантовая механика и компьютер .......................................................... 59
2.9. Контрольные вопросы к разделу 2 ......................................................... 60 
Раздел 3. Технологические наноэффекты в природе и их 

использование при создании перспективной элементной базы 

телекоммуникационных устройств 
.................................................................... 62
3.1. Самосборка ............................................................................................... 62
3.2. Природные наноэффекты и нанотехнологии 
......................................... 63
3.3. Контрольные вопросы к разделу 3 ......................................................... 64 
 
 
4 

Раздел 4. Свойства наноматериалов для перспективной                                  
элементной базы телекоммуникационных устройств ..................................... 65
4.1. Квантовые эффекты и их влияние на свойства                       
наноматериалов ............................................................................................... 65
4.2. Материалы наноэлектроники 
.................................................................. 69
4.3. Ультрадисперсные наноматериалы ........................................................ 73
4.4. Фуллерены и углеродные нанотрубки ................................................... 74
4.5. Графен ....................................................................................................... 79
4.6. Проводящие полимеры ............................................................................ 84 
4.7. Примеры уникальных свойств некоторых наночастиц ........................ 87
4.8. Контрольные вопросы к разделу 4 ......................................................... 91 
Раздел 5. Оборудование и инструменты нанотехнологий, 

используемые при создании перспективной элементной базы 
телекоммуникационных устройств 
.................................................................... 92
5.1. Оптический микроскоп 
............................................................................ 92
5.2. Электронный микроскоп ......................................................................... 94
5.3. Туннельный эффект и сканирующий туннельный                               
микроскоп (СТМ) ............................................................................................ 97
5.4. Атомно-силовой микроскоп 
.................................................................. 100
5.5. Сканирующие зондовые микроскопы .................................................. 103
5.6. Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля....................... 104
5.7. Нановесы 
................................................................................................. 106
5.8. Механические наноманипуляторы ....................................................... 107
5.9. Оптические манипуляторы 
.................................................................... 108
5.10.  Оптический (лазерный) пинцет ......................................................... 109
5.11. Контрольные вопросы к разделу 5 ..................................................... 112 
Раздел 6. Проблемы микроминиатюризации при создании 

перспективной элементной базы телекоммуникационных  
устройств ............................................................................................................. 113
6.1. Микроминиатюризация МДП-приборов 
.............................................. 113
6.2. Проблемы при создании интегральных микросхем 
............................ 116
6.3. Контрольные вопросы к разделу 6 ....................................................... 119 
Раздел 7. Нанотранзисторы для телекоммуникационных устройств, 
разработанные по современным технологическим принципам                                      
с применением традиционных материалов 
..................................................... 120
7.1. Особенности устройства и работы полевых транзисторов ................ 120
7.2. МОП-LDD транзисторы со слаболегированными областями 
............ 131
7.3. КНИ-транзисторы. TeraHertz-транзисторы 
.......................................... 133
7.4. Транзисторы на структурах SiGe (транзисторы с затвором                      
Шоттки или MODFET-транзисторы) .......................................................... 135 
 
 
5 

7.5. Могозатворные транзисторы (FinFET-транзистор, 

Tri-GateTransistor), FinFET-транзистор) 
...................................................... 137
7.6. Гетеротранзисторы (HEMT транзисторы, транзисторы                                
с затвором Шоттки на AlGaN/GaN (ГПТШ), FET-транзисторы, 
  
MESFET-транзисторы) ................................................................................. 140
7.7. Контрольные вопросы к разделу 7 ....................................................... 145 
Раздел 8. Нанотранзисторы, разработанные по современным 

технологическим принципам с применением новых 

материалов 
........................................................................................................... 147
8.1. Нанотранзисторы на основе углеродных нанотрубок. 

Наножидкостный транзистор 
....................................................................... 147
8.2. Нанотранзисторы на основе графена ................................................... 151
8.3. Спиновые нанотранзисторы 
.................................................................. 154
8.4. Баллистический транзистор .................................................................. 157
8.5. Двухслойный туннельный транзистор (DELTT-транзистор) ............. 158
8.6. Транзисторы на горячих электронах .................................................... 159
8.7. Интерференционные транзисторы 
........................................................ 162
8.8. Полевые транзисторы на отраженных электронах 
.............................. 166
8.9. Квантовый точечный транзистор 
.......................................................... 168
8.10. Гетероструктурный транзистор на квантовых точках ...................... 169
8.11. Биполярные транзисторы на гетеропереходах 
................................... 171
8.12. Фотонные транзисторы и устройства 
................................................. 173
8.12.1. Фотонные PTNT-транзисторы и фотонные                                  
логические элементы .................................................................................... 173
8.12.2. Транзистор с фотонным управлением 
............................................. 175
8.12.3. Фотонный чип 
..................................................................................... 176
8.12.4. Оптический транзистор-маршрутизатор 
......................................... 177
8.12.5. Сверхбыстрый фотонный переключатель 
....................................... 178
8.13. Контрольные вопросы к разделу 8 ..................................................... 179 
Раздел 9. Одноэлектроника как перспективная элементная база 
телекоммуникационных устройств 
.................................................................. 181
9.1. Основы одноэлектроники 
...................................................................... 181
9.2. Одноэлектронные транзисторные структуры 
...................................... 183
9.3. Одноэлектронные транзисторы на основе гетероструктур ................ 186
9.4. Одноэлектронные металлические cтруктуры 
...................................... 187
9.5. Молекулярный одноэлектронный транзистор 
..................................... 189
9.6. Устройства на одноэлектронных транзисторах 
................................... 192
9.6.1. Аналоговые устройства ...................................................................... 192
9.6.2. Цифровые устройства ......................................................................... 192
9.7. Контрольные вопросы к разделу 9 ....................................................... 196 
 
 
6 

Раздел 10. MЕMS- и NEMS-технологии для перспективной 

элементной базы телекоммуникационных устройств ................................... 197
10.1. Появление и развитие MЕMS- и NEMS-технологии ........................ 197
10.2. Одноэлектронный механический транзистор 
.................................... 201
10.3. Сенсоры 
................................................................................................. 202
10.4. Проекты наномоторов 
.......................................................................... 204
10.5. Применение и перспективы МЭМС ................................................... 206
10.6. Контрольные вопросы к разделу 10 ................................................... 209 
Раздел 11.  Молекулярная электроника и перспективная 

элементная база телекоммуникационных устройств 
..................................... 210
11.1. Молекулярный подход в наноэлектронике 
........................................ 210
11.2. Молекулярные транзисторы и элементы логики 
............................... 211
11.3. Молекулярная память .......................................................................... 214
11.4. Контрольные вопросы к разделу 11 ................................................... 217 
Раздел 12.  Функциональная, диэлектрическая электроника 

и перспективная элементная база телекоммуникационных устройств ....... 219
12.1. Функциональная электроника 
............................................................. 219
12.2. Приборы функциональной электроники 
............................................ 222
12.3. Диэлектрическая электроника............................................................. 223
12.4. Приборы и устройства диэлектрической электроники 
..................... 224
12.5. Контрольные вопросы к разделу 12 ................................................... 226 
Раздел 13. Мемристорная электроника и перспективная 
 
элементная база телекоммуникационных устройств 
..................................... 227
13.1. Понятие о мемристоре ......................................................................... 227
13.2. Мемристор. Свойства и применение .................................................. 228
13.3. Схема на основе мемристора для имитации работы синапса 

головного мозга 
............................................................................................. 231
13.4. Флэшристоры и флэш-память ............................................................. 232
13.5. Нейронная сеть из мемристоров ......................................................... 234
13.6. Мемристор и самопрограммируемая электроника 
............................ 235
13.7. Новый тип энергонезависимой памяти – гибкие мемристоры 

на основе графена 
.......................................................................................... 236
13.8. Проект первого фотонно-электронного компьютера на основе 
мемристоров .................................................................................................. 237
13.9. Контрольные вопросы к разделу 13 ................................................... 238 
Раздел 14. Полимерная электроника как перспективная 

элементная база телекоммуникационных устройств 
..................................... 239
14.1. Электропроводящие полимеры 
........................................................... 239
14.2. Применение полимерных материалов 
................................................ 239
14.3. Применение легированных полимеров .............................................. 240
14.4. Устройства, использующие электрохимическое легирование 
......... 241
7 

14.5. Полимерная электроника 
..................................................................... 241
14.6. Контрольные вопросы к разделу 14 ................................................... 247 
Заключение 
.......................................................................................................... 248
Список использованной литературы ............................................................... 251
Дополнительная литература 
.............................................................................. 258
 
8 

ГЛОССАРИЙ 
 
ангстрем – 1Å – величина 10–10 м; 
барьеғр Шоғттки (или Шоғтки, англ. Schottky barri-er) – потенциальный 
барьер, образующийся в приконтактном слое полупроводника, граничащего с металлом; 
ван-дер-ваальсовые силы – ослабленные химические связи; 
гетеропереход – контакт двух различных по химическому составу полупроводников, при котором кристаллическая решетка одного материала 
без нарушения периодичности переходит в решетку другого материала; 
гетероструктура – несколько гетеропереходов формируют гетероструктуру. Гетероструктуры имеют размеры в несколько десятков нанометров; 
гетеротранзистор – транзистор, содержащий один или несколько гетеропереходов; 
диспергирование – тонкое измельчение тела в условиях заданной 
окружающей среды; 
ДЭГ (двумерный электронный газ) – электроны в квантовой яме оказываются запертыми в одном направлении. Электронный газ в квантовой 
яме становится двумерным; 
искусственный атом – представляет собой электронное облако, у которого нет ядра; 
кластер: 
– система из большого числа слабосвязанных атомов или молекул, 
– класс элементов статистической совокупности; 
квантовые наноструктуры: 
– квантовая яма – если размеры образца в одном измерении лежат в 
нанометровом диапазоне, а в двух других остаются в микроразмерах, то 
речь идет о квантовой яме, 
– квантовая проволока (нить) – если образец имеет нанометровые 
размеры в двух измерениях, а третий лежит в микродиапазоне, то речь идет 
о квантовой проволоке, 
– квантовая точка (1) – если все три размера образца лежат в нанометровом диапазоне, то речь идет о квантовой точке, 
– квантовая точка (2) – электронное устройство, способное захватывать электроны и удерживать их в малом пространстве; 
клейтроника (англ. clay – глина, claytronics – «умная» глина) – новая 
область в науке и технологии, рассматривающая возможность сборки различных конструкций из отдельных унифицированных строительных блоков-роботов микроскопических размеров; 
9 

кулоновская блокада представляет собой явление отсутствия тока изза невозможности туннелирования электронов вследствие их кулоновского 
отталкивания при приложении напряжения к туннельному переходу; 
метаматериал (греч. мета – сверх, за пределами) – композит, обладающий свойствами, которые не встречаются в природе, в частности, обладающий отрицательной диэлектрической и магнитной проницаемостью; 
нанометр равен 10 Å; 
одноэлектронные устройства – перспективные наноэлектронные 
приборы, основанные на эффекте дискретного туннелирования отдельных 
электронов и обеспечивающие ультранизкие уровни потребляемой энергии 
при ультранизких рабочих напряжениях; 
ОПЗ – область пространственного заряда – заряд свободных носителей 
или ионизованных доноров пространственно распределенный в приповерхностной области полупроводника и эта область не является электронейтральной; 
синергетика (греч. син – совместное и эргос – действие) – научное 
направление, изучающее общие закономерности, которые управляют процессами самоорганизации в различных системах: биологических, технических, химических и др.; 
спейсер (изоляция, разграничение) – разграничительная прослойка из 
окисла кремния между транзисторами на кристалле; 
скейлинг – масштабирование параметров, или пропорциональное 
уменьшение размеров элементов интегральных схем; 
СТМ – сканирующий туннельный микроскоп;  
туннельный переход формируется на основе двух проводников малого поперечного сечения, между которыми располагается тонкий слой диэлектрика. С помощью такой конструкции (туннельного перехода) можно 
управлять движением отдельных электронов; 
углеродные нанотрубки – являются весьма перспективными наноструктурами с широким потенциалом применения. По существу, нанотрубки представляют собой свернутые в трубки гексагональные сетки с 
атомами углерода в узлах; 
уровень Ферми – это такой энергетический уровень W = WF, формальная вероятность заполнения которого электроном равна 0,5;  
фуллерит – аллотропная модификация углерода; 
фуллерены представляют собой аллотропные молекулярные формы 
углерода, в которых атомы расположены в вершинах правильных пяти- или 
шестиугольников, покрывающих поверхность сферы; 
хиральность – свойство объекта быть несовместимым со своим изображением в идеальном плоском зеркале. Хиральность определяет структурную характеристику нанотрубки; 
10