微电子学概论ch纳电子器件学习教案

1、微电子学概论微电子学概论(giln)ch纳电子器件纳电子器件第一页，共48页。什么是纳米科技什么是纳米科技 纳米科学是研究在千万纳米科学是研究在千万分之一米到亿分之一米分之一米到亿分之一米(10-9(10-9米米) )内，原子、分子和其它类内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的规律；型物质的运动和变化的规律； 利用这些规律，在这一尺利用这些规律，在这一尺度范围内对原子、分子进行度范围内对原子、分子进行(jnxng)(jnxng)操纵和加工被称操纵和加工被称为纳米技术。为纳米技术。第1页/共48页第二页，共48页。0.1nm 1nm 1000nm 106nm 109nm知识上的裂缝，一边是以

2、原子、分子为主体的微观世界，知识上的裂缝，一边是以原子、分子为主体的微观世界，另一岸是人类活动另一岸是人类活动(hu dng)的宏观世界。两个世界之间的宏观世界。两个世界之间不是直接而简单的联结，存在一个过渡区不是直接而简单的联结，存在一个过渡区-纳米世界纳米世界第2页/共48页第三页，共48页。纳米体系：量子世界纳米体系：量子世界(shji)波波 粒粒 二二 象象 性性不确定不确定 原原 理理第3页/共48页第四页，共48页。隧穿几率隧穿几率(j l)不可不可(bk)穿越穿越势垒势垒可隧可隧穿势穿势垒垒经典力学经典力学(jn din l xu)量子力学量子力学dEV0)(22-exp)(16

3、0200EVmhdVEVT第4页/共48页第五页，共48页。不确定不确定(qudng)原理原理2hpxx经典概念在微观世界可以经典概念在微观世界可以(ky)应用到什么程度应用到什么程度第5页/共48页第六页，共48页。第6页/共48页第七页，共48页。第7页/共48页第八页，共48页。第8页/共48页第九页，共48页。第9页/共48页第十页，共48页。第10页/共48页第十一页，共48页。第11页/共48页第十二页，共48页。第12页/共48页第十三页，共48页。原子力显微镜原子力显微镜第13页/共48页第十四页，共48页。OUTLINE纳米技术概述纳米技术概述纳米半导体材料纳米半导体材料 碳

4、纳米管和半导体纳米线碳纳米管和半导体纳米线量子点和量子线量子点和量子线纳电子纳电子(dinz)器件器件单电子单电子(dinz)晶体管晶体管分子结器件分子结器件场效应晶体管场效应晶体管逻辑器件及其电路逻辑器件及其电路第14页/共48页第十五页，共48页。纳米纳米(n m)碳管碳管第15页/共48页第十六页，共48页。第16页/共48页第十七页，共48页。第17页/共48页第十八页，共48页。碳纳米管和半导体纳米线一维纳米材料(n m ci lio)n碳纳米管碳纳米管n因直径、手性不同而呈现不同的电学特性，因直径、手性不同而呈现不同的电学特性，即金属性或半导体性即金属性或半导体性n单壁碳纳米管：由

5、于单壁纳米管间存在较单壁碳纳米管：由于单壁纳米管间存在较强的范德瓦尔斯力，极易聚集成管束强的范德瓦尔斯力，极易聚集成管束(gunsh)(gunsh)，且，且C-CC-C共价键很强，其管壁结共价键很强，其管壁结构几乎理想构几乎理想第18页/共48页第十九页，共48页。碳纳米管可以看成是由石墨卷曲而成的封闭碳纳米管可以看成是由石墨卷曲而成的封闭管，其结构管，其结构(jigu)(jigu)可用螺旋矢量可用螺旋矢量ChCh和螺和螺旋角旋角来表征来表征其中其中(qzhng)Ch(qzhng)Ch可表示为可表示为Ch=na1+ma2Ch=na1+ma2，其中，其中(qzhng)a1,a2(qzhng)a1

6、,a2为基本矢量，因此为基本矢量，因此具有螺旋矢量具有螺旋矢量ChCh的碳纳米管也就可以用一组整数（的碳纳米管也就可以用一组整数（n,mn,m）表示，其称为碳纳米管的指数表示，其称为碳纳米管的指数碳纳米管的指数碳纳米管的指数(zhsh)第19页/共48页第二十页，共48页。第20页/共48页第二十一页，共48页。-镜面12橙子味柠檬味第21页/共48页第二十二页，共48页。n碳纳米管组装器件的局限碳纳米管组装器件的局限n金属性或半导体性的碳纳米管难可控生长，不同金属性或半导体性的碳纳米管难可控生长，不同电学特性的纳米管生长在一起，需后续分离电学特性的纳米管生长在一起，需后续分离n半导体纳米线半

7、导体纳米线n总是呈现半导体特性，其掺杂类型、浓度可控，总是呈现半导体特性，其掺杂类型、浓度可控，纳米线的成分、尺寸、电学和光学特性等可在合成纳米线的成分、尺寸、电学和光学特性等可在合成过程中合理过程中合理(hl)(hl)控制控制一维纳米材料一维纳米材料(n m ci lio)第22页/共48页第二十三页，共48页。n半导体纳米线半导体纳米线n 由于由于(yuy)(yuy)硅纳米线表面易氧化，硅纳米线表面易氧化，通过氧化层保护通过氧化层保护第23页/共48页第二十四页，共48页。量子量子(lingz)点和量子点和量子(lingz)线线n量子量子(lingz)线线n碳纳米管平面内分布的自由电子将在

8、某一方碳纳米管平面内分布的自由电子将在某一方向形成量子向形成量子(lingz)线线n量子量子(lingz)点点n自由电子在自由电子在x，y方向都加以限制，形成量子方向都加以限制，形成量子(lingz)点点n含有含有11000个可控制的电子个可控制的电子P307 图图10.7第24页/共48页第二十五页，共48页。第25页/共48页第二十六页，共48页。小尺寸小尺寸(ch cun)效应效应v光吸收显著增加光吸收显著增加(zngji)v出现吸收峰的等离子共振频移出现吸收峰的等离子共振频移v磁有序态变为磁无序态磁有序态变为磁无序态v超导相变为正常相超导相变为正常相第26页/共48页第二十七页，共48

9、页。量子量子(lingz)尺尺寸效应寸效应第27页/共48页第二十八页，共48页。表面表面(biomin)效应效应第28页/共48页第二十九页，共48页。宏观量子(lingz)隧道效应第29页/共48页第三十页，共48页。OUTLINE纳米技术概述纳米技术概述纳米半导体材料纳米半导体材料(cilio) 碳纳米管和半导体纳米线碳纳米管和半导体纳米线量子点和量子线量子点和量子线纳电子器件纳电子器件单电子晶体管单电子晶体管分子结器件分子结器件场效应晶体管场效应晶体管逻辑器件及其电路逻辑器件及其电路第30页/共48页第三十一页，共48页。Nano Science and TechnologyInsec

10、t1 m1 mm1 m1 nm1 MolecularAtomMACRO-MICRO-Condensed Matter PhysicsMeso-physicsbig barrierVacuum TubeSemiconductor DevicesSingle Electron DevicesNANOELECTRONICSAnimal第31页/共48页第三十二页，共48页。第32页/共48页第三十三页，共48页。第33页/共48页第三十四页，共48页。第34页/共48页第三十五页，共48页。纳电子器件纳电子器件(din z q jin)分类分子电子器件 ：基于碳纳米管或单个C分子固体纳电子器件：基于

11、半导体材料，单电子等特点电导(din do)的量子化库仑阻塞和单电子隧穿量子的相干特性显著第35页/共48页第三十六页，共48页。heTTC21 第36页/共48页第三十七页，共48页。 满足量子条件的电导满足量子条件的电导率是因子（率是因子（e2/he2/h）的函数，的函数， e2/h e2/h为电为电导量子。导量子。 在单电子输运在单电子输运(sh (sh yn)yn)情况下，此因情况下，此因子为量子化台阶值。子为量子化台阶值。第37页/共48页第三十八页，共48页。第38页/共48页第三十九页，共48页。第39页/共48页第四十页，共48页。纳电子器件的制造技术纳电子器件的制造技术(js

12、h)自上而下自上而下自下而上（未获突破）自下而上（未获突破）第40页/共48页第四十一页，共48页。第41页/共48页第四十二页，共48页。可控的自下而上的组装可控的自下而上的组装(z zhun)技术技术第42页/共48页第四十三页，共48页。纳电子器件所面临(minlng)的问题如何获得性能稳定的晶体管如何组成纳电子器件逻辑电路解决纳电子器件电路中的信息处理第43页/共48页第四十四页，共48页。第44页/共48页第四十五页，共48页。一旦某一电子隧穿进入一纳米粒子一旦某一电子隧穿进入一纳米粒子(lz)(lz)它会对随后而来的第二它会对随后而来的第二个电子进入该纳米粒子个电子进入该纳米粒子(lz)(lz)起阻挡作用起阻挡作用, ,称为库仑阻塞现象称为库仑阻塞现象. .只只有等这个电子离开该纳米粒子有等这个电子离开该纳米粒子(lz)(lz)后外界的第二个电子才可能后外界的第二个电子才可能再进入该纳米粒子再进入该纳米粒子(lz).(lz).利用这种库仑阻塞现象可能人为的控制利用这种库仑阻塞现象可能人为的控制电子单个的穿过具有纳米结构的器件电子单个的穿过具有纳米结构的器件, ,实现单电子隧穿过程实现单电子隧穿过程. .单电子单电子(dinz)晶体管晶体管n运行机理运行机理(j l)n电子隧穿电子隧穿n库仑阻塞库仑阻塞P312 图图10