Физические основы наноэлектроники

 
 
 
 
В.В. Филиппов, А.Д. Пашун  
 
 
 
 
 
 
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ  
НАНОЭЛЕКТРОНИКИ  
 
Учебное пособие  
 
Издание 2-е, переработанное и дополненное 
 
 
 
 
Липецк  
 2024 
 
 
 
 

МИНИСТЕРСТВО ПРОСВЕЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ 
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ  
ИМЕНИ П.П. СЕМЕНОВА-ТЯН-ШАНСКОГО» 
 
 
 
 
 
 
 
 
В.В. Филиппов, А.Д. Пашун  
 
 
 
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ  
НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 
 
 
 
 
Учебное пособие  
 
 
Издание 2-е, переработанное и дополненное 
 
 
 
 
 
 
 
Липецк  
 2024  
 

УДК 621.382 
ББК 32.853 
Ф534 
 
Печатается по решению кафедры математики и 
физики ФГБОУ ВО «ЛГПУ имени  
П.П. Семенова-Тян-Шанского».  
Протокол № 2 от 11.10.2023 г.  
 
Филиппов, В.В. Физические основы наноэлектроники: Учебное  
пособие / В.В. Филиппов, А.Д. Пашун. - Изд. 2-е, перераб. и доп. – Липецк: 
ЛГПУ имени П.П. Семенова-Тян-Шанского, 2024. – 182 с.  
 
 
ISBN 978-5-907792-29-6 
 
 
В учебном пособии рассмотрены основные физические принципы работы 
полупроводниковых нанометровых структур. Анализируются особенности 
энергетического спектра электронов и дырок в низкоразмерных структурах и 
возможности целенаправленного управления ими в практических целях. Предсталена классификация квантово-размерных структур. Описаны основные методы получения структур современной наноэлектроники.  
Учебное пособие предназначено для студентов физических и физикотехнических направлений подготовки в высших учебных заведениях, а также 
может быть полезно аспирантам научных специальностей «Физика полупроводников», «Физика конденсированного состояния», «Радиофизика». Рекомендовано также для слушателей программ дополнительного профессионального 
образования соответствующего направления подготовки. Рекомендовано также 
слушателям программ дополнительного профессионального образования соответствующего направления подготовки. 
УДК 621.382 
ББК 32.853 
Ф534 
 
Рецензенты:  
М.А. Пугаческий, доктор физико-математических наук, доцент, профессор 
кафедры нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладной физики, 
директор 
Регионального 
центра 
нанотехнологий 
Юго-Западного 
государственного университета;  
Д.В. Кузнецов, кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры 
физики, радиотехники и электроники Елецкого государственного университета 
имени И.А. Бунина.  
 
ISBN 978-5-907792-29-6 
 ФГБОУ ВО «Липецкий государственный 
педагогический университет имени  
П.П. Семенова-Тян-Шанского», 2024 
 В.В. Филиппов, 2024 
 А.Д. Пашун, 2024    
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
В настоящее время влияние микро- и наноэлектроники на общество все 
более возрастает. Она формирует электронную базу всех современных средств 
приема, передачи и обработки информации, автоматизированные системы 
управления и т.д. Достижения наноэлектроники базируются на исследованиях и 
открытиях в области физики твердого тела и твердотельной технологии. Принципиальное технологическое преимущество наноэлектроники перед другими 
направлениями техники состоит в групповом способе производства – на полупроводниковой пластине содержится множество элементарных чипов, из которых собираются приборы (интегральные микросхемы).  
Развитие технологии микроэлектроники, направленное на увеличение 
быстродействия интегральных схем, привело к значительному уменьшению 
всех основных размеров транзисторов (повышение степени интеграции). При 
этом открылись новые возможности повышения быстродействия приборов при 
одновременном увеличении надежности их работы. При высоких темпах роста 
интеграции прогнозировалось к концу 20 века достигнуть степени интеграции 
порядка 109 транзисторов на одну микросхему. Но такая реализация подобных 
масштабов интеграции требует принципиально новых решений. Так, опыт разработки МДП-транзисторов с длиной канала 10…100 нм показал, что в таких 
приборах лавинообразно нарастает количество новых физических явлений – 
физический барьер, за которым все свойства твердого тела резко меняются, т.е. 
начинают проявляться в полной мере квантовые эффекты [1-4]. 
Терминология по наноматериалам и нанотехнологиям в настоящее время 
только устанавливается. Существует несколько подходов к тому, как определять, что такое наноматериалы (рис. 1). Наиболее устоявшимися в литературе 
определениями можно считать:  
нанотехнология - совокупность методов и приемов, обеспечивающих 
возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, 
включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально 
новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно 
функционирующие системы большего масштаба; 
наноматериалы - материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 
100 нм и обладают качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками. 
Самый простой подход выделения наноматериалов от объемных структур 
связан с геометрическими размерами структуры таких материалов. Согласно 
такому подходу материалы с характерным размером микроструктуры от 1 до 
3 

нм 
называют 
наноструктурными 
(или, 
иначе, 
нанофазными, 
нанокристаллическими, супрамолекулярными) [1, 5].  
 
 
Рисунок 1 – Терминологические подходы к понятию наноматериалов 
 
Выбор такого диапазона размеров не случаен, а определяется существованием ряда размерных эффектов и совпадением размеров кристаллитов с характерными размерами для различных физических явлений. Минимальный предел 
(1 нм) связан с нижним пределом симметрии нанокристаллического материала.  
Структуры с характерными размерами 1…100 нм являются определяющими для современной электроники и определяют наноэлектронику [1-4]. Изготовление искусственных периодических структур из разных полупроводников со 
слоями толщиной  несколько десятков нанометров открывает возможности радикально изменить энергетический спектр электронов – так возникла «зонная 
инженерия». Реальные структуры содержат от нескольких десятков до нескольких сотен тонких, различных по составу полупроводниковых слоев с очень резкими границами. Открылись возможности наблюдать явления, которые обусловлены квантовой природой электронов, появилась возможность проверить ряд 
принципиальных положений квантовой механики. В результате получены полупроводниковые приборы, которые обладают высоким быстродействием. 
В современных условиях быстро развивающейся силовой и функциональной электроники, а также микро- и наноэлектроники одной из актуальнейших проблем современного образования является подготовка кадров для электронной промышленности.  
В данном учебном пособии обсуждается проблема создания квантовых 
интегральных схем и квантовых компьютеров – основными элементами таких 
4 

структур станут квантовые точки, квантовые нити, квантовые ямы и др. низкоразмерные структуры. Физические принципы и явления, лежащие в основе 
наноэлектроники, отличаются от используемых в микроэлектронике. 
В настоящее время ведется работа по систематическому изложению основных свойств наноэлектронных структур, соответственно, назрела необходимость в определенной систематизации накопленного экспериментального и 
теоретического материала в форме, приемлемой для студентов. Прежде всего, 
следует уяснить особенности энергетического спектра частиц в системах пониженной размерности и возможности управлять этим спектром с помощью однородного электрического поля и изменения других параметров структур. 
Представляется, что внимательное рассмотрение предложенных тем поможет читателю глубже разобраться в свойствах наноэлектронных структур, а 
также уверенно сориентироваться в особенностях наноэлектронных полупроводниковых приборов. 
Первое издание данного пособия вышло в печати в 2018 году. Наиболее 
существенные изменения во втором издании настоящего учебного пособия: 
расширено содержание раздела 2 (элементы физики полупроводников и полупроводниковых приборов), получили дополнительное содержание разделы 9 и 
10, отражающие практическое применение достижений нанотехнологий в современной электронике. 
 
 
 
5 

      1. Развитие электроники и классификация электронных приборов 
 
Электроника представляет собой бурно развивающуюся отрасль науки и 
техники. Она изучает физические основы и практическое применение различных электронных приборов [4, 6-8]. Электроника – наука о взаимодействии 
электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных 
приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии, в основном для передачи, обработки и 
хранения информации.  
Электроника зародилась в начале 20 в. после создания основ электродинамики (1856 –73 гг.), исследования свойств термоэлектронной эмиссии (1882 – 
1901 гг.), фотоэлектронной эмиссии (1887 – 1905 гг.), рентгеновских лучей 
(1895 – 97 гг.), открытия электрона (Дж. Дж. Томсон, 1897 г.), создания электронной теории (1892 – 1909 гг.). Развитие электроники началось с изобретения 
лампового диода (Дж. А. Флеминг, 1904 г.), трехэлектродной лампы – триода 
(Л. де Форест, 1906 г.). Одновременно с разработкой вакуумных электронных 
приборов создавались и совершенствовались газоразрядные приборы (ионные 
приборы). Изобретение транзистора (У. Шокли, У. Браттейн, Дж. Бардин, 
1948 г.) определило становление и развитие полупроводниковой электроники. 
Разработка планарной технологии полупроводниковых структур (конец 50 – 
начало 60-х гг.) и методов интеграции многих элементарных приборов (транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов) на одной монокристаллической полупроводниковой пластине привело к созданию нового направления в электронике – микроэлектроники (интегральной электроники). 
Современная электроника очень сложна и разнообразна. Она включает в 
себя много различных ветвей и направлений. Ниже приведены основыные использунмые типы электронных приборов [4, 8].  
 
1.1. Электронные электровакуумные приборы 
Принцип действия данных электронных приборов основан на использовании электрических явлений в вакууме: прохождение электрического тока осуществляется свободными электронами (управление свободными электронами с 
помощью электрических и магнитных полей). К ним относятся электронные 
лампы (диод, триод), электронно-лучевые трубки (экраны осциллографов, кинескопы телевизоров), фотоэлектронные приборы (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители и др.).  
 
6 

1.2. Ионные электровакуумные (газоразрядные) приборы 
Принцип действия ионных электровакуумных приборов основан на взаимодействии электронов с ионной плазмой (возникновение несамостоятельных и 
самостоятельных электрических разрядов) – используются свободные электроны и ионы газа (тиристоры, стабилитроны и др.). 
 
1.3. Полупроводниковые приборы 
Действие данных приборов основано на использовании свойств полупроводников. Электрические свойства полупроводников зависят от температуры, 
освещенности, внешних полей (полупроводниковые диоды, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры, фотоэлектронные и оптоэлектронные приборы). 
В качестве веществ используются простые (Ge, Si) и сложные полупроводники 
(соединения типа А3В5, А2В6 и др.). В основе полупроводниковых приборов лежат физические свойства p-n-перехода или контакта металл-полупроводник 
(барьер Шоттки). 
 
1.4. Интегральные микросхемы (ИМС) 
При построении ИМС используются свойства полупроводниковых веществ, представляющих собой совокупность нескольких взаимодействующих 
компонентов (транзисторов, диодов, резисторов и т.д.), изготовленных в едином технологическом цикле. За последние 50 лет 20-го столетия получила развитие полупроводниковая микроэлектроника (размеры рабочих элементов полупроводниковых приборов и расстояния между ними несколько микрон). 
 
1.5. Переход к наноэлектронике 
С 2000 г. начался переход от микроэлектроники к наноэлектронике. 
Наноэлектроника – совокупность знаний о физических свойствах веществ в 
нанометровом масштабе (1100 нм). Наноэлектронные приборы, устройства и 
системы – целенаправленно созданные объекты, содержащие элементы нанометрового диапазона ( 100 нм). Этот диапазон линейных размеров представляет собой фундаментальный физический барьер, за которым все свойства твердого тела резко меняются – так электропроводность полупроводников определяется в полной мере квантовыми эффектами (микроэлектроника же опирается 
на макроскопические законы классической физики).  
Развитие телекоммуникационных и информационных систем зависит от 
степени развития микроэлектроники и наноэлектроники. Современные комплексы электронной аппаратуры содержат 106–1012 элементов (используются 
интегральные микросхемы с числом элементов более нескольких миллионов) – 
большие БИС (более 100 эл.), сверхбольшие СБИС (боле 1000 эл.), ультравысо7 

кие УБИС (несколько миллионов эл.) и гигантские ГИС (около 1 млрд эл.) схемы. Основная область применения – компьютерная техника. Известно 5 поколений компьютеров. Компьютеры первого поколения появились в 40-е годы 
20 ст., второе поколение – в 50-е годы. В 60-е годы была создана микроэлектронная элементная база – компьютеры третьего поколения. В 70-е годы создаются компьютеры четвертого поколения (быстродействие 100 –1000 млн оп/с). 
В настоящее время начаты разработки компьютеров пятого поколения – элементной базой является наноэлектроника и оптоэлектроника (быстродействие 
порядка 1012 оп/с). Следующим поколением, очевидно, будут квантовые компьютеры. 
Всем известно, что первые компьютеры в начале 1950-х занимали целую 
комнату. Сегодня же любой карманный компьютер в сотни тысяч раз превосходит их по быстродействию и возможностям. 
 
Области применения электронных приборов - электросвязь (радиовещание, телевидение, автоматическая электросвязь, космическая связь, волоконнооптическая связь); радиоэлектронная аппаратура широкого применения (радиоприемники, телевизоры, музыкальные центры, устройства бытовой автоматики 
и др.); вычислительная техника и техническая кибернетика (компьютеры и автоматические системы управления, информационные системы, автоматизированные обучающие и контролирующие системы и др.); промышленная электроника (измерительная аппаратура, аппаратура автоматики, медицинская аппаратура, лазерная техника и др.) [4, 6, 7].  
 
8 

2. Элементы физики полупроводников и полупроводниковых приборов 
 
2.1. Характерные признаки полупроводников 
Нельзя не восхищаться достижениями человечества во второй половине 
ХХ века, когда чуть ли не каждый год сопровождался крупным прорывом то в 
одной, то в другой области электроники. Одной из главных причин тому явилось широкомасштабное применение полупроводников [6-8]. В данной части 
пособия физика полупроводников и электронных устройтсв на их основе рассматривается весьма кратко, для более подродного их изучения рекомендуем 
обратиться к специализированой литературе [6, 9, 10].  
Приведем характерные признаки полупроводников, которые отличаются от 
признаков металлов.  
Металлы: 1) при повышении температуры проводимость медленно 
уменьшается (сопротивление возрастает); 2) примеси в металлах приводят в 
большинстве случае к уменьшению проводимости; 3) под действием излучения 
проводимость не изменяется. 
Полупроводники: 1) при повышении температуры проводимость резко 
увеличивается (сопротивление уменьшается); 2) при незначительной концентрации примесей проводимость кристаллов возрастает в 10 – 100 тысяч раз; 
3) при действии излучения резко возрастает проводимость. 
К естественным элементарным полупроводникам относятся кристаллы, 
образованные из атомов химических элементов IV столбца таблицы Менделеева (алмаз-С, Si, Ge, серое-Sn, … – алмазоподобные полупроводники). Это означает, что атомы этих элементов четырехвалентны, т.е. имеют четыре валентных 
электрона. Разнообразие полупроводниковых кристаллов (с разными физическими параметрами) получают искусственным путем (имеем синтетические 
кристаллы) – путем соединения разных химических элементов таблицы Менделеева. Например, получают соединения типа AIIIBV, где А и В – это химические элементы из третьей и пятой групп таблицы. Аналог Ge – соединение 
GaAs (арсенид галлия) также имеет 4 валентных электрона в расчете на один 
атом (Ga–3, As–5) и обладает полупроводниковыми свойствами. Подобным образом можно образовать и другие полупроводниковые соединения (АIIВVI – 
IV
II
C
B
A
 – ZnGeAs2, ….). Человек научился выращивать синтетичеZnSe, …; 
V
2
ские полупроводниковые кристаллы даже в космосе. В условиях невесомости и 
глубокого вакуума можно смешивать вещества, которые в земных условиях получить невозможно. 
Далее между различными соединениями могут образовываться твердые 
растворы, например, AIIIBV–AIIIBV, AIIIBV–AIIBVI и др. Особо следует отметить 
9