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前言 纳米电子学及其概论 纳米电器件 单电子晶体管 展望 参考文献

前言

纳米科学与技术是科学发展跨时代的主要 内容之一，是21世纪高科技的基础。

现在它的学科划分包括六个主要部分：纳 米电子学，纳米物理学，纳米化学，纳米 生物学，纳米机械学和纳米表征测量学。
六个部分中为首的是纳米电子学。

前言

在信息社会中，信息的获取、放大、存储、处理、 传输、转换和显示，都离不开电子学。电子学技 术早已经成为人类经济的命脉。
电子学未来的发展，将以“更小，更快，更冷” 为目标。“更小” —— 提高芯片的集成度，“更 快” —— 实现更高的信息运算和处理速度，“更 冷”——进一步降低芯片的发热等功耗。
单电子晶体管

单电子晶体管是单电子学领域中最重要的器件
单电子晶体管一个一个传输电子
单电子晶体管的应用
它至少可以在以下三个方面有重要应用：
对极微弱电流的测量和制成超高灵敏
度的静电计；
构成新机理的超高速微功耗特大规模
量子功能器件、电路和系统，以及量 子功能计算机；
研究高灵敏度红外辐射检测器。
纳米电器件
目前，纳米电器件主要研究方向有： 1、纳米单电子晶体管 2、共振隧穿电子器件 3、纳米场效应晶体管 4、纳米MOS器件 5、非易失性纳米存储器 6、分子电子器件 7、自旋量子器件 8、单原子开关 上述纳米电器件中，纳米单电子晶体管是主要的基 础器件，有典型的代表性。
单电子晶体管
随着半导体刻蚀技术和工艺的发展，大规 模集成电路的集成度越来越高。目前一般 的存储器每个存储元包含了20万个电子， 而单电子晶体管每个存储元只包含了一个 或少量电子，因此它将大大降低功耗，提 高集成电路的集成度。 单电子晶体管是基于库仑堵塞效应和单电 子隧道效应的基本物理原理，而出现的一 种新型的纳米电子器件。它在未来的微电 子学和纳米电子学领域将占有重要的地位。

单电子晶体管
基本结构
制成后的实际结构
单电子晶体管

上图是日本电子技术综合研究所 K.Matsumoto所研制的单电子晶体管结构。 由图可见，晶体管源极和漏极分别与金属 Ti 连接，它的两个隧道结是由两条纳米尺 度的 TiO x 线构成。它们对电子遂穿构成的 势垒（ TiO x /Ti ）高度为 285meV 。中心岛 区域是由被 TiO x 围住金属 Ti 组成的。栅极 连接在 Si 基板上，栅极用 SiO 2 板和上面器 件隔离。
纳米电子学的理论基础

纳米电子学的理论基础是各种量子化效应。 而在不同的纳米结构与器件中，其量子化 效应的物理体现也是多种多样的。换言之， 也正是各种量子化效应的出现，导致了具 有不同量子功能纳米量子器件的诞生。
纳米电子技术特色效应
表面 表面 效应 效应
量子 量子相 相干 干效应 效应 小尺 小尺 寸效 寸效 应 应 高温 高温超 超导 导效应 效应 巨磁 巨磁阻 阻效 效应 应 库仑 库仑阻 阻塞 塞效应 效应 量子 量子尺 尺寸 寸效应 效应
单电子晶体管

上图是单电子晶体管 I-V 特性曲线。图中粗线表示单 电子晶体管的漏极电流曲线，细线则表示单电子晶体 管的电导曲线。由图可见，在漏极电压 0—-0.75V的 测量范围内，电流曲线中出现 4个150mV等距离的库 仑台阶，电导曲线中出现同样 4个150mV等距离库仑 振荡峰值，这就表示电子在单电子晶体管中的流动是 一个一个量子化的。为了得到库仑台阶和库仑振荡特 性，实际结构中两个隧道结是非对称的，因为构成隧 道结的两条 TiOx 线的宽度分别为 18nm 和 27nm。根 据库仑台阶和库仑振荡间隔的测量结果，估计出隧道 电容和栅极电容分别为3.6×10-19F和3.5×10-19F。
纳米电子器件

纳米器件尺寸在 1--100nm范围内，空间尺 度上介于微观体系和宏观体系之间，通常 称其为介观体系。纳米电器件工作原理通 常以电子在器件结构中的运动方程来描述， 也就是说以电子传输方程描述。其电子运 动遵从量子力学原理，需要用量子力学理 论来描述。
纳米电器件的尺度范围分界
Moore定律提出后，曾有相当一部分人认为下一代器件是分子电子器件，其理论 基础是分子电子学。经过几年的工作逐渐认识到，在微电子器件与分子电子器件 之间，可能有个过渡——纳米电子器件，即信息加工的功能元件不是单个分子， 而是原子团，即有限个原子构成的纳米尺度体系 (含102～109个原子)。这样，就 从两个方向发展，一是微电子器件的尺寸不断减小下去；二是基于有机高分子和 生物技术的分子组装功能材料，使其尺寸不断大起来。

纳米电子学

Байду номын сангаас
在纳米尺度（ 1-100nm ）研究物质的电子运动规 律、特性及其应用的科学技术，并利用这些特征 规律生成纳米电子材料、器件和系统。

讨论纳米电子元件、电路、集成器件和信息加工 的理论和技术的新学科。它代表了微电子学的发 展趋势并将成为下一代电子科学与技术的基础。 最先实用化的三种器件和技术分别是纳米MOS器 件，共振隧穿器件和单电子存储器。
宏观 宏观量 量子 子隧穿 隧穿 效应 效应
纳米电子学的技术支撑
纳米加工技术
纳米团簇的超分子化学自组装
纳米量子点微结构的自组织生长技术
纳米电子器件

纳米电子器件以其固有的超高速（ 10-12— 10-13s ）、超高频（大于 1000GHz ）、高集 成度（大于1010元器件/cm2）、高效低功耗、 极低阈值电流密度（亚毫安）和极高量子 效率等特点在信息领域有着极其重要的应 用前景，将可能触发新的技术革命，成为 未来信息技术的核心和支柱。
展望

纳米电子学因其新颖、奇异和独特等性能，从开始诞 生就引起了世界范围内的广泛关注。纳米电子学对于 信息时代意义重大。现在刚刚开始探索各种材料、技 术和机理，在这个领域，我们的研究工作与国际上一 样，刚刚开始探索。在纳米电子学运行机理和加工组 装技术方面，我国也做出了很好的工作。在超高密度 信息存储方面我们取得了突破性的进展，这是一个发 展中的交叉学科领域，面临着很多问题有待解决。现 在的研究是从材料和制备技术开始，在获得特性数据 的基础上进行机理分析。这是科学发展跨时代的机遇， 我们应该有勇气迎接挑战。