Так, уже в 1998 г. был создан транзистор на основе нанотехнологий. <...> % # ' ! ; ' $ < # = '# ' Рассмотрим важнейшую задачу квантовой механики, имею щую прямое отношение к наноэлектронике — это прохождение частицы через потенциальный барьер, или туннельный эффект. <...> Так, коэффициент про хождения D, или коэффициент прозрачности барьера, равный отношению |ψ(d)2| / |ψ(0)2|, в со ответствии с формулами (1.44, 1.45) записывается в виде - ,-2 D = e –2 ---d 2mU0 – E () . .,-24/ Таким образом, электроны могут проходить через потенциальные барьеры, превышающие их энергию. <...> < # В наноэлектронных структурах очень часто встречается слу чай движения электрона между двумя потенциальными барье рами. <...> '!' ? =@ - Сверхрешеткой называется периодическая структура, состоящая из тонких чередующихся в одном направ лении слоев полупроводников. <...> Наличие потенциала сверхрешетки существенно меняет зонную энергетическую структуру исход ных полупроводников. <...> Однако при некоторых упрощающих пред положениях (в частности о том, что потенциальные барьеры очень высокие и очень узкие) можно получить аналитическое выражение для решения, которое имеет следующий вид: где E0n = Е = E0n – Cn + (–1)nAn cos ka, π2 2 2ma2 --------------.,-42/ - n2 — уровни энергии (1.51) в одиночной беско нечно глубокой потенциальной яме шириной а; Сn, An — посто янные величины, зависящие, в частности, от проницаемости потенциального барьера. <...> Следует помнить, что образование минизон происходит толь ко при движении электронов вдоль оси сверхрешетки (перпен дикулярно плоскостям скачка потенциала) в отличие от обра зования энергетических зон при движении электронов вдоль любого направления в естественной кристаллической решетке. <...> Наличие потенциальных барьеров, ограничивающих движе ние электронов, приводит не только к возникновению диск ретных уровней энергии, но и меняет плотность разрешен ных состояний в зоне проводимости, что обусловлено принци пом запрета Паули для случая свободных частиц <...>
Наноэлектроника._Элементы,_приборы,_устройства.pdf
Г. Г. Шишкин, И. М. Агеев
НАНОЭЛЕКТРОНИКА
ЭЛЕМЕНТЫ
ПРИБОРЫ
УСТРОЙСТВА
Учебное пособие
4е издание, электронное
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»
Москва
Лаборатория знаний
2020
Стр.2
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
Стр.3
Оглавление
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Раздел 1.Физические и технологические основы
наноэлектроники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава 1. Теоретические основы наноэлектроники . . . . . . . . . . . . .
11.1. Основные положения квантовой механики,
используемые в наноэлектронике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
7
9
9
11.2. Момент импульса и спин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
11.3. Магнитный резонанс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
11.4. Туннельный переход через потенциальный барьер . . . . . . . . 21
11.5. Квантовые потенциальные ямы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
11.6. Интерференционные эффекты в наноструктурах . . . . . . . . . 27
11.7. Элементы зонной теории и транспортные явления
в наноразмерных структурах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
11.8. Сверхрешетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
11.9. Плотность энергетических состояний
в низкоразмерных структурах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.10. Одноэлектроника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.11. Физические основы спинтроники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Контрольные вопросы и задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Глава 2. Физические свойства наноструктур
и наноструктурированных материалов . . . . . . . . . . . . . . . 54
12.1. Классификация низкоразмерных структур и наноматериалов 54
12.2. Свойства двумерных структур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
12.3. Свойства одномерных структур и материалов . . . . . . . . . . . . 76
12.4. Свойства углеродных наноструктур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
12.5. Свойства наночастиц и материалов с наночастицами . . . . . . 92
Контрольные вопросы и задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Глава 3. Технология создания наноматериалов
и наноструктур и методы их диагностики . . . . . . . . . . . . 97
13.1. Методы диагностики нанообъектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
13.2. Эпитаксиальные методы создания тонких пленок
и гетероструктур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
13.3. Технология создания квантовых точек и нитей . . . . . . . . . . 112
13.4. Основные технологические методы создании
углеродных наноматериалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
13.5. Методы зондового сканирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
13.6. Нанолитография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Контрольные вопросы и задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Стр.408
408
Оглавление
Раздел 2.Наноэлектронные приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Глава 4. Полупроводниковые гомо и гетероструктуры
и приборы на их основе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
14.1. Электрические гомо и гетеропереходы . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
14.2. Туннельные диоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
14.3. Биполярные транзисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
14.4. Полевые транзисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Контрольные вопросы и задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
Глава 5. Наноэлектронные приборы на основе
квантоворазмерных структур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
15.1. Резонанснотуннельные приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
15.2. Одноэлектронные приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
15.3. Спинтронные приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
15.4. Полупроводниковые фотоприборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
15.5. Полупроводниковые инжекционные лазеры и светодиоды . 290
Контрольные вопросы и задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
Глава 6. Базовые логические элементы квантовых компьютеров . 318
16.1. Общие сведения о квантовых компьютерах . . . . . . . . . . . . . . 318
16.2. Базовые элементы полупроводникового кремниевого
квантового компьютера на основе ядерномагнитного
резонанса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
16.3. Базовые элементы для квантовых компьютеров
на квантовых точках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
16.4. Логические элементы квантовых компьютеров
на сверхпроводниках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
Контрольные вопросы и задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
Глава 7. Сверхпроводимость и электронные устройства
на сверхпроводниках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
17.1. Основные свойства сверхпроводящего состояния . . . . . . . . . 342
17.2. Сверхпроводники 1го и 2го рода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
17.3. Джозефсоновские переходы и их модели . . . . . . . . . . . . . . . . 364
17.4. Аналоговые сверхпроводниковые устройства . . . . . . . . . . . . 374
17.5. Криотроны, логические элементы и элементы памяти
на джозефсоновских переходах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
17.6. Электронные устройства, использующие ВТСП . . . . . . . . . . 389
Контрольные вопросы и задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
Глава 8. Нанобиоэлектроника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
18.1. Общие положения и термины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
18.2. Электропроводные свойства ДНК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
18.3. Приборы на основе биоэлектроники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
18.4. Конечный биоавтомат Шапиро . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
Контрольные вопросы и задания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
Стр.409