Физические основы твердотельной наноэлектроники

Наноэлектроника является новейшей областью науки и техники, формирующейся в текущее время, на базе достижений физики твердого тела, квантовой электроники, физической химии и технологии полупроводниковой электроники.

Исследования в данной области важны для разработки новых принципов построения сверхминиатюрных, супербыстродействующих устройств получения, передачи, хранения и обработки инфы. По мере приближения тезмеров твердотельных структур к нанометровой области больше появляются квантовые характеристики электрона. В его поведении начинают преобладать волновые закономерности, соответствующие для квантовых частиц. Если объект имеет атомарный масштаб в одном либо 2-ух направлениях, то его характеристики будут очень отличаться от больших из-за проявления в поведении квантовых закономерностей.

К примеру, когда хотя-бы один из размеров объекта становится соизмерим с длиной волны де Бройля для электрона, то повдоль этого направления будет происходить размерное квантование. С одной стороны это приводит к нарушению работоспособности традиционных электрических частей (диодов, транзисторов), а с другой – открывает перспективы сотворения новых типов электрических частей с уникальными качествами (переключающих, запоминающих, усиливающих и т.п.), которые могут отыскать применение в информационно-измерительной технике.

Распространение волн отдельных электронов в наноразмерных структурах могут сопровождаться явлениями интерференции, возможностью туннелирования через возможный барьер и др. Волна, соответствующая свободному электрону в жестком теле, может распространяться в любом направлении. Ситуация кардинально изменяется, когда электрон попадает в структуру, размер которой, по последней мере, в одном из направлений ограничен и сравним с длиной волны электрона. В таком направлении будут распространяться только те волны, которые имеют кратный размер с геометрическими размерами структуры. Для электронов это значит, что могут иметь только фиксированные значения энергии, т.е. происходит квантование их уровней энергии но повдоль такового квантового шнура могут распространяться электроны с хоть какой энергией.

Примером структур, в каких электрон при собственном движении обладает одной степенью свободы являются гетероструктуры с квантовыми нитями, приобретенные при помощи субмикронной литографии за счет вытравливания узенькой полосы из материала. Предельным случаем таких структур является ситуация, когда движение электрона ограничено в 3-х направлениях. В квантовой точке энергетический диапазон дискретен, как в атоме. Потому такие квантовые образования именуют еще искусственными атомами, хотя любая такая точка может содержать тысячи и поболее реальных атомов.

Размеры квантовых точек составляют несколько нанометров. Подобно истинному атому, квантовая точка может содержать один либо несколько свободных электронов. Если, к примеру, один электрон, то она соответствует вроде бы искусственному атому водорода, если два – атому гелия и т.д.

Взаимодействие электрических волн в наноразмерных структурах как меж собой, так и с неоднородностями в их может сопровождаться интерференцией, аналогичной той, которая наблюдается для световых либо акустических волн. Отличительная особенность таковой интерференции состоит в том, что благодаря наличию у электронов заряда имеется возможность управлять ими при помощи локального электростатического либо магнитного поля и таким образом оказывать влияние на распространение электрических волн.

Уникальным свойством квантовых частиц, в том числе и электронов является способность просачиваться через возможный барьер, даже если энергия электронов недостаточна для его преодоления. Этот эффект (туннельный эффект) наблюдается в случае, когда ширина потенциального барьера соизмерима с длиной волны Де Бройля для электрона.

Квантовое ограничение, в наноразмерных структурах, накладывает отпечаток и на эффект туннелирования в таких структурах. Так, к примеру, квантование энергетических состояний электронов в очень тонких временами расположенных возможных ямах приводит к тому, что туннелирование через их приобретает резонансный нрав, другими словами туннельно проникнуть через такую структуру могут только электроны с определенной энергией, т.е. длиной волны.

Другим специфичным проявлением квантового ограничения является одноэлектронное туннелирование в критериях кулоновской блокады. Кулоновская блокада – это явление отсутствия тока при приложении напряжения к туннельному переходу из-за невозможности туннелирования электронов вследствие их кулоновского отталкивания.

Понижая линейные размеры электрических устройств, естественно задаться вопросом: вероятна ли обработка инфы на базе управления отдельными электронами, атомами, фотонами. Физики издавна научились манипулировать, управлять такими частичками. Но в жестких телах отдельные электроны могут просто потеряться в структуре, огромное влияние на такие процессы оказывают и термические колебания атомов.

В 1986 г. появилась 1-ая публикация об исследовании эффекта коррелированного одноэлектронного туннелирования в диэлектриках. В предстоящем данный эффект был положен в базу сотворения моноэлектронного транзистора. На рисунке 8.7 представлено устройство такового транзистора и его эквивалентная электронная схема замещения (ЭЭСЗ).

Рис. 8.7 Схема моноэлектронного эффекта, устройства на его базе.

При размерах гранулки (из индия) около и диэлектрической проницаемости материала туннельного перехода , емкость туннельного перехода составит: . При всем этом изменение энергии гранулки при одноэлектронном обмене будет сопоставимо с энергией термического шума:

. (8.1)

Потому для увеличения эффективности работы данного устройства нужно снижать его рабочую температуру.