Физические основы наноэлектроники
Понятие о наноэлектронике.
Один из способов классификации нанообъектов
Существует много разных способов классификации нанообъектов. Согласно простейшей из них все нанообъекты подразделяют на два больших класса – сплошные («внешние») и пористые («внутренние»). Сплошные объекты классифицируют по размерности:
1) объемные трехмерные (3D) структуры;
2) плоские двумерные (2D) объекты – нанопленки;
3) линейные одномерные (1D) структуры – нанонити, или нанопроволоки (nanowires);
4) нульмерные (0D) объекты – наноточки.
К пористым структурам относят нанотрубки и нанопористые материалы
Эта классификация, как и любая другая, не является исчерпывающей. Она не охватывает довольно важный класс наночастиц – молекулярные агрегаты, полученные методами супрамолекулярной химии.
Электроника – раздел науки и техники, в котором исследуются электронные явления в веществе, и на основе результатов этих исследований разрабатываются методы создания электронных приборов, схем и систем.
В своем развитии электроника прошла три этапа:
- ламповая;
- полупроводниковая;
- интегральная полупроводниковая электроника (микроэлектроника).
Наноэлектроника (НЭ) – это современный, четрвертый этап развития электроники. НЭ (nanoelectronics) – это область науки и техники, занимающаяся созданием, исследованием и применением электронных приборов с нанометровыми размерами элементов. В основе функционирования таких приборов лежат квантовые эффекты.
В области НЭ появилось много новых принципов, методов и материалов, привлекаемых для создания наноэлектронных устройств. В настоящий момент неясно, какие из методов и материалов станут для НЭ базовыми, то есть выведут ее на уровень серийного производства высоконадежных приборов и схем. Итогом конкурентной борьбы между различными направлениями развития НЭ будет выход на первые позиции сравнительно небольшого количества материалов и подходов. Именно такой сценарий развития прошла микроэлектроника, основой которой по настоящее время является полупроводниковая элементная база, а базовым элементом является кремний.
Направление НЭ, основанное на кремниевой интегральной технологии, уже используется в массовом производстве. Однако это направление перспективно лишь для верхнего диапазона наноразмеров (10-100 нм). Для освоения нижнего диапазона (1-10 нм) необходимы принципиально другие подходы. Они могут реализоваться и на полупроводниковых, и на новых материалах. На полупроводниковых материалах удается создавать наноэлементы для обработки и хранения информации, в которых используются особые полупроводниковые структуры (нульмерные, одномерные и двухмерные наноструктуры: квантовые точки, квантовые шнуры и квантовые ямы).
К новым материалам относятся в первую очередь нанотрубки и сложные органические молекулы. Создание отдельных электронных элементов различного схемного назначения на этих материалах успешно реализуется, однако до разработки надежных, экономически привлекательных электронных систем типа ИМС достаточно далеко.
Возникновение и развитие полупроводниковой микро- и наноэлектроники стало возможным благодаря фундаментальным достижениям квантовой механики.
Поведение электронов и дырок в наноструктурах определяют три группы фундаментальных явлений:
- квантовое ограничение;
- баллистический транспорт и квантовая интерференция;
- туннелирование носителей заряда.
Все эти эффекты являются типичными квантово-механическими явлениями.
Квантовое ограничение возникает, когдасвободное движение электронов в каком-либо направлении ограничено потенциальными барьерами. Оно изменяет спектр энергетических состояний и влияет на перенос носителей зарядов через наноструктуры.
Транспорт носителей заряда может осуществляться как параллельно, так и перпендикулярно потенциальным барьерам. В случае движения носителей вдоль потенциальных барьеров доминирующими эффектами оказываются баллистический транспорт и квантовая интерференция. Прохождение носителей заряда через потенциальные барьеры имеет место посредством их туннелирования.