微電子學(xué)概論ch納電子器件學(xué)習(xí)教案

1、微電子學(xué)概論微電子學(xué)概論(giln)ch納電子器件納電子器件第一頁，共48頁。什么是納米科技什么是納米科技 納米科學(xué)是研究在千萬納米科學(xué)是研究在千萬分之一米到億分之一米分之一米到億分之一米(10-9(10-9米米) )內(nèi)，原子、分子和其它類內(nèi)，原子、分子和其它類型物質(zhì)的運動和變化的規(guī)律；型物質(zhì)的運動和變化的規(guī)律； 利用這些規(guī)律，在這一尺利用這些規(guī)律，在這一尺度范圍內(nèi)對原子、分子進行度范圍內(nèi)對原子、分子進行(jnxng)(jnxng)操縱和加工被稱操縱和加工被稱為納米技術(shù)。為納米技術(shù)。第1頁/共48頁第二頁，共48頁。0.1nm 1nm 1000nm 106nm 109nm知識上的裂縫，一邊是以

2、原子、分子為主體的微觀世界，知識上的裂縫，一邊是以原子、分子為主體的微觀世界，另一岸是人類活動另一岸是人類活動(hu dng)的宏觀世界。兩個世界之間的宏觀世界。兩個世界之間不是直接而簡單的聯(lián)結(jié)，存在一個過渡區(qū)不是直接而簡單的聯(lián)結(jié)，存在一個過渡區(qū)-納米世界納米世界第2頁/共48頁第三頁，共48頁。納米體系：量子世界納米體系：量子世界(shji)波波 粒粒 二二 象象 性性不確定不確定 原原 理理第3頁/共48頁第四頁，共48頁。隧穿幾率隧穿幾率(j l)不可不可(bk)穿越穿越勢壘勢壘可隧可隧穿勢穿勢壘壘經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué)(jn din l xu)量子力學(xué)量子力學(xué)dEV0)(22-exp)(16

3、0200EVmhdVEVT第4頁/共48頁第五頁，共48頁。不確定不確定(qudng)原理原理2hpxx經(jīng)典概念在微觀世界可以經(jīng)典概念在微觀世界可以(ky)應(yīng)用到什么程度應(yīng)用到什么程度第5頁/共48頁第六頁，共48頁。第6頁/共48頁第七頁，共48頁。第7頁/共48頁第八頁，共48頁。第8頁/共48頁第九頁，共48頁。第9頁/共48頁第十頁，共48頁。第10頁/共48頁第十一頁，共48頁。第11頁/共48頁第十二頁，共48頁。第12頁/共48頁第十三頁，共48頁。原子力顯微鏡原子力顯微鏡第13頁/共48頁第十四頁，共48頁。OUTLINE納米技術(shù)概述納米技術(shù)概述納米半導(dǎo)體材料納米半導(dǎo)體材料 碳

4、納米管和半導(dǎo)體納米線碳納米管和半導(dǎo)體納米線量子點和量子線量子點和量子線納電子納電子(dinz)器件器件單電子單電子(dinz)晶體管晶體管分子結(jié)器件分子結(jié)器件場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管邏輯器件及其電路邏輯器件及其電路第14頁/共48頁第十五頁，共48頁。納米納米(n m)碳管碳管第15頁/共48頁第十六頁，共48頁。第16頁/共48頁第十七頁，共48頁。第17頁/共48頁第十八頁，共48頁。碳納米管和半導(dǎo)體納米線一維納米材料(n m ci lio)n碳納米管碳納米管n因直徑、手性不同而呈現(xiàn)不同的電學(xué)特性，因直徑、手性不同而呈現(xiàn)不同的電學(xué)特性，即金屬性或半導(dǎo)體性即金屬性或半導(dǎo)體性n單壁碳納米管：由

5、于單壁納米管間存在較單壁碳納米管：由于單壁納米管間存在較強的范德瓦爾斯力，極易聚集成管束強的范德瓦爾斯力，極易聚集成管束(gunsh)(gunsh)，且，且C-CC-C共價鍵很強，其管壁結(jié)共價鍵很強，其管壁結(jié)構(gòu)幾乎理想構(gòu)幾乎理想第18頁/共48頁第十九頁，共48頁。碳納米管可以看成是由石墨卷曲而成的封閉碳納米管可以看成是由石墨卷曲而成的封閉管，其結(jié)構(gòu)管，其結(jié)構(gòu)(jigu)(jigu)可用螺旋矢量可用螺旋矢量ChCh和螺和螺旋角旋角來表征來表征其中其中(qzhng)Ch(qzhng)Ch可表示為可表示為Ch=na1+ma2Ch=na1+ma2，其中，其中(qzhng)a1,a2(qzhng)a1

6、,a2為基本矢量，因此為基本矢量，因此具有螺旋矢量具有螺旋矢量ChCh的碳納米管也就可以用一組整數(shù)（的碳納米管也就可以用一組整數(shù)（n,mn,m）表示，其稱為碳納米管的指數(shù)表示，其稱為碳納米管的指數(shù)碳納米管的指數(shù)碳納米管的指數(shù)(zhsh)第19頁/共48頁第二十頁，共48頁。第20頁/共48頁第二十一頁，共48頁。-鏡面12橙子味檸檬味第21頁/共48頁第二十二頁，共48頁。n碳納米管組裝器件的局限碳納米管組裝器件的局限n金屬性或半導(dǎo)體性的碳納米管難可控生長，不同金屬性或半導(dǎo)體性的碳納米管難可控生長，不同電學(xué)特性的納米管生長在一起，需后續(xù)分離電學(xué)特性的納米管生長在一起，需后續(xù)分離n半導(dǎo)體納米線半

7、導(dǎo)體納米線n總是呈現(xiàn)半導(dǎo)體特性，其摻雜類型、濃度可控，總是呈現(xiàn)半導(dǎo)體特性，其摻雜類型、濃度可控，納米線的成分、尺寸、電學(xué)和光學(xué)特性等可在合成納米線的成分、尺寸、電學(xué)和光學(xué)特性等可在合成過程中合理過程中合理(hl)(hl)控制控制一維納米材料一維納米材料(n m ci lio)第22頁/共48頁第二十三頁，共48頁。n半導(dǎo)體納米線半導(dǎo)體納米線n 由于由于(yuy)(yuy)硅納米線表面易氧化，硅納米線表面易氧化，通過氧化層保護通過氧化層保護第23頁/共48頁第二十四頁，共48頁。量子量子(lingz)點和量子點和量子(lingz)線線n量子量子(lingz)線線n碳納米管平面內(nèi)分布的自由電子將在

8、某一方碳納米管平面內(nèi)分布的自由電子將在某一方向形成量子向形成量子(lingz)線線n量子量子(lingz)點點n自由電子在自由電子在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)點點n含有含有11000個可控制的電子個可控制的電子P307 圖圖10.7第24頁/共48頁第二十五頁，共48頁。第25頁/共48頁第二十六頁，共48頁。小尺寸小尺寸(ch cun)效應(yīng)效應(yīng)v光吸收顯著增加光吸收顯著增加(zngji)v出現(xiàn)吸收峰的等離子共振頻移出現(xiàn)吸收峰的等離子共振頻移v磁有序態(tài)變?yōu)榇艧o序態(tài)磁有序態(tài)變?yōu)榇艧o序態(tài)v超導(dǎo)相變?yōu)檎Ｏ喑瑢?dǎo)相變?yōu)檎Ｏ嗟?6頁/共48頁第二十七頁，共48

9、頁。量子量子(lingz)尺尺寸效應(yīng)寸效應(yīng)第27頁/共48頁第二十八頁，共48頁。表面表面(biomin)效應(yīng)效應(yīng)第28頁/共48頁第二十九頁，共48頁。宏觀量子(lingz)隧道效應(yīng)第29頁/共48頁第三十頁，共48頁。OUTLINE納米技術(shù)概述納米技術(shù)概述納米半導(dǎo)體材料納米半導(dǎo)體材料(cilio) 碳納米管和半導(dǎo)體納米線碳納米管和半導(dǎo)體納米線量子點和量子線量子點和量子線納電子器件納電子器件單電子晶體管單電子晶體管分子結(jié)器件分子結(jié)器件場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管邏輯器件及其電路邏輯器件及其電路第30頁/共48頁第三十一頁，共48頁。Nano Science and TechnologyInsec

10、t1 m1 mm1 m1 nm1 MolecularAtomMACRO-MICRO-Condensed Matter PhysicsMeso-physicsbig barrierVacuum TubeSemiconductor DevicesSingle Electron DevicesNANOELECTRONICSAnimal第31頁/共48頁第三十二頁，共48頁。第32頁/共48頁第三十三頁，共48頁。第33頁/共48頁第三十四頁，共48頁。第34頁/共48頁第三十五頁，共48頁。納電子器件納電子器件(din z q jin)分類分子電子器件 ：基于碳納米管或單個C分子固體納電子器件：基于

11、半導(dǎo)體材料，單電子等特點電導(dǎo)(din do)的量子化庫侖阻塞和單電子隧穿量子的相干特性顯著第35頁/共48頁第三十六頁，共48頁。heTTC21 第36頁/共48頁第三十七頁，共48頁。 滿足量子條件的電導(dǎo)滿足量子條件的電導(dǎo)率是因子（率是因子（e2/he2/h）的函數(shù)，的函數(shù)， e2/h e2/h為電為電導(dǎo)量子。導(dǎo)量子。 在單電子輸運在單電子輸運(sh (sh yn)yn)情況下，此因情況下，此因子為量子化臺階值。子為量子化臺階值。第37頁/共48頁第三十八頁，共48頁。第38頁/共48頁第三十九頁，共48頁。第39頁/共48頁第四十頁，共48頁。納電子器件的制造技術(shù)納電子器件的制造技術(shù)(js

12、h)自上而下自上而下自下而上（未獲突破）自下而上（未獲突破）第40頁/共48頁第四十一頁，共48頁。第41頁/共48頁第四十二頁，共48頁?？煽氐淖韵露系慕M裝可控的自下而上的組裝(z zhun)技術(shù)技術(shù)第42頁/共48頁第四十三頁，共48頁。納電子器件所面臨(minlng)的問題如何獲得性能穩(wěn)定的晶體管如何組成納電子器件邏輯電路解決納電子器件電路中的信息處理第43頁/共48頁第四十四頁，共48頁。第44頁/共48頁第四十五頁，共48頁。一旦某一電子隧穿進入一納米粒子一旦某一電子隧穿進入一納米粒子(lz)(lz)它會對隨后而來的第二它會對隨后而來的第二個電子進入該納米粒子個電子進入該納米粒子(lz)(lz)起阻擋作用起阻擋作用, ,稱為庫侖阻塞現(xiàn)象稱為庫侖阻塞現(xiàn)象. .只只有等這個電子離開該納米粒子有等這個電子離開該納米粒子(lz)(lz)后外界的第二個電子才可能后外界的第二個電子才可能再進入該納米粒子再進入該納米粒子(lz).(lz).利用這種庫侖阻塞現(xiàn)象可能人為的控制利用這種庫侖阻塞現(xiàn)象可能人為的控制電子單個的穿過具有納米結(jié)構(gòu)的器件電子單個的穿過具有納米結(jié)構(gòu)的器件, ,實現(xiàn)單電子隧穿過程實現(xiàn)單電子隧穿過程. .單電子單電子(dinz)晶體管晶體管n運行機理運行機理(j l)n電子隧穿電子隧穿n庫侖阻塞庫侖阻塞P312 圖圖10