Наноэлектроника. Элементы, приборы, устройства

Г. Г. Шишкин, И. М. Агеев
НАНОЭЛЕКТРОНИКА
ЭЛЕМЕНТЫ
ПРИБОРЫ 
УСТРОЙСТВА
Учебное пособие
5)е издание, электронное
Рекомендовано 
Г
осударственным 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»
Москва
Лаборатория знаний
2024

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. — 5-е изд., электрон. —
М. : Лаборатория знаний, 2024. — 411 с. — Систем. требования:
Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст :
электронный.
ISBN 978-5-93208-769-5
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 978-5-93208-769-5
© Лаборатория знаний, 2015

веение
В своей технологической деятельности человечество до
настоящего времени использует материалы данные изначально,
либо созданные искусственно, но создание их ограничено моле
кулярным уровнем. Нанотехнологии претендуют на новый уро
вень создания материалов и устройств, оперируя во многих слу
чаях отдельными атомами. Независимая объединенная комис
сия Королевской академии наук Великобритании и Королевской
академии инженерных наук предложила следующие определе
ния нанонауки и нанотехнологии. Нанонаука есть изучение яв
лений и свойств материи на атомном, молекулярном и макромо
лекулярном уровне в случае, когда эти свойства значительно от
личаются от таковых при большем пространственном масштабе.
Нанотехнологией является конструирование, создание и приме
нение структур, приборов и систем путем оперирования их фор
мой и размерами на нанометровом уровне.
Изделия нанотехники и, в частности, наноэлектроники на
ходятся на переднем рубеже достижений человечества. Уже
сейчас значимость нанонауки как для прикладных задач, так и
для фундаментальных исследований выступает на первое мес
то, потеснив позиции космических исследований и исследова
ний структуры материи. В ближайшем будущем предвидится
бурное развитие этой области знаний, что предполагает возмож
ность для нее вместе с физикой сложных нелинейных дина
мических систем и квантовой физикой занять ведущее место
в процессе познания мира.
Одна из основных задач нанотехнологии в области электрони
ки состоит в создании больших систем элементов, способных пре
образовывать и запоминать информацию. Такими элементами
обычно являются участки твердого тела с различным типом про
водимости и линиями связи. Однако прогресс наноэлектроники
не исключает возможности использования для ее целей органиче
ских материалов, сложных биологических молекул, таких, как

Введение
протеины и нуклеиновые кислоты, и даже элементов биологиче
ских объектов.
Впервые некоторые концепции нанотехнологии были про
возглашены 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 наномет
ровом диапазоне. Сам термин «нанотехнология» впервые был
применен исследователем из Токийского университета Norio
Taniguchi в 1974 г. при рассмотрении возможностей использо
вания 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 от
дельные атомы, а в 1985 г. была создана технология, позволяю
щая измерять объекты диаметром в 1 нм. Тем самым сформиро
вались начальные условия для реализации и исследования нано
размерных 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 уров
ня (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 эффек
ты приводят к значительным изменениям оптических, элект
рических и магнитных свойств веществ.
Перед нанотехнологией открываются фантастические перс
пективы во многих областях техники, биологии, медицины.
При этом одной из важнейших областей применения нанотехно
логий, во многом стимулирующей ее развитие, является элект
роника (в более широком плане — электроника, оптоэлектрони
ка и компьютерная техника).
Так, в области электроники и оптоэлектроники в ближай
шей перспективе рассматривается возможность расширения
параметров радиолокационных систем за счет применения фа

Введение 
5
зированных антенных решеток с малошумящими СВЧтранзис
торами на основе наноструктур и волоконнооптических линий
связи с повышенной пропускной способностью с использовани
ем фотоприемников и инжекционных лазеров на структурах с
квантовыми точками; совершенствования тепловизионных об
зорноприцельных систем на основе использования матричных
фотоприемных устройств, изготовленных на базе нанотехноло
гий и отличающихся высоким температурным разрешением;
создания мощных экономичных инжекционных лазеров на ос
нове наноструктур для накачки твердотельных лазеров, ис
пользуемых в фемтосекундных системах.
В области компьютерной техники применение нанотехно
логий в принципе позволяет конструировать системы, сос
тоящие из тысяч центральных процессоров с параметрами луч
ше 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 уров
ней в используемых материалах и средах многие из микро
электронных и наноэлектронных приборов и систем требуют
при своей работе криогенного охлаждения. Необходимость ох
лаждения до низких температур является препятствием в ши
роком практическом использовании таких элементов и прибо
ров на их основе. Однако в наноструктурах столь глубокое ох
лаждение 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 диффузи
онной деструкции при изготовлении и эксплуатации. В настоя
щее 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 натал
кивается на определенные трудности, поскольку конкретные
технологические приемы, использующиеся при изготовлении
изделий наноэлектроники, непрерывно и чрезвычайно быст

Введение
ро развиваются и совершенствуются. Поэтому в данной кни
ге значительная часть материала посвящена физическим ос
новам функционирования наноэлектронных приборов. Конк
ретные цифры, характеризующие технологию или параметры
существующих и разрабатываемых приборов, при этом явля
ются 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 понима
ния принципов действия многих наноэлектронных приборов, в
учебном пособии даются ссылки на соответствующую литера
туру и излагаются также основные принципы действия полу
проводниковых электронных приборов.
Содержание учебного пособия в целом соответствует про
грамме обучения по направлениям 210600 «Нанотехнология»,
152200 «Наноинженерия», 210100 «Электроника и наноэлект
роника» и специальностям 202000 «Нанотехнологии в электрони
ке» и 073800 «Наноматериалы». Кроме того, материалы пособия
могут быть использованы в качестве существенного дополнения,
отражающего последние научнотехнические достижения в облас
ти электроники, при изучении дисциплин «Электроника», «Фи
зические основы микроэлектроники» и смежным с ними курсов
для направления подготовки 210000 «Электронная техника, ра
диотехника и связь», в частности 210300 «Радиотехника».
Работа между авторами распределилась следующим обра
зом: главы 1—3 написаны И. М. Агеевым, главы 4—7 написаны
Г. Г. Шишкиным, глава 8 написана авторами совместно.
Физические и технологические основы наноэлектроники

а
ел1
ФИЗИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
Глава 1
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 част
ности атомы, молекулы и другие микрочастицы) описываются
квантовой механикой (см. например, [26]). Процессы, происхо
дящие в микромире, почти полностью лежат за пределами чув
ственных восприятий, и поэтому понятия квантовой теории ли
шены 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 пропор
ционален вероятности обнаружения соответствующих значений qi
в момент времени t при измерении, т. е. при взаимодействии
микрообъекта с макроскопическим прибором. Изменение во вре
мени состояния объекта можно определить, решая дифференци
альное волновое уравнение Шредингера для Ψфункции или ис
пользуя 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,

Раздел 1. Физические и технологические основы наноэлектроники
длина которой λ и частота ω связаны с энергией и импульсом со
отношениями
E = Вω, в = Ве, λ = h/p,
(1.1)
где В = 
, h — постоянная Планка, е — волновой вектор, рав
h
2π
-
-
-
-
-
-
-
ный по модулю 
.
2π
λ
-
-
-
-
-
-
-
Из квантовой теории следует ряд принципов, имеющих осно
вополагающее значение для наноэлектроники. Первый из них —
квантование. Его сущность состоит в том, что некоторые физи
ческие величины, описывающие микрообъект, в определенных
условиях принимают только дискретные значения. Так, на
пример, квантуется энергия электрона при его движении в об
ласти пространства, размер которой сравним с длиной волны де
Бройля для этой частицы. Квантование энергии электрона
означает, что она может иметь только лишь некоторый дискрет
ный набор значений. Каждому из этих значений сопоставляют
энергетический уровень, соответствующий данному стационар
ному состоянию. Находясь в стационарном состоянии, электрон
не излучает фотоны. Излучение происходит только при перехо
де из одного состояния в другое.
Фундаментальным законом квантовой механики является
принцип неопределенности Гейзенберга, заключающийся в
том, что существуют пары сопряженных величин, характери
зующих параметры частиц, которые не могут быть определены
с произвольной точностью одновременно. Например, нельзя од
новременно измерить положение частицы и ее импульс, проек
ции 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 из
мерительной 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 значе
ний, координаты, проекции импульса, энергии и времени.
Еще один фундаментальный принцип квантовой механики,
а именно принцип тождественности одинаковых микрочас
тиц, в сочетании с наличием у них собственного механического