Текстовые фрагменты публикации
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕРЕРАЦИИ
Национальный исследовательский ядерный университет
«МИФИ»
ОЛИМПИАДА ШКОЛЬНИКОВ
«НАНОЭЛЕКТРОНИКА»
СБОРНИК ЗАДАЧ И ЗАДАНИЙ
с ответами решениями, и комментариями
Под редакцией доцента В.А. Лапшинского
Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии»
в качестве учебно-методического пособия
для студентов младших курсов
высших учебных заведений
Москва 2011
УДК 620.3 (076)
ББК 34.5.07
О-54
Ю.И. Бочаров (НИЯУ МИФИ), Ю.А. Воронов (НИЯУ МИФИ),
Г.И. Зебрев (НИЯУ МИФИ), В.А. Лапшинский (НИЯУ МИФИ),
О.Р. Мочалкина (НИЯУ МИФИ), В.К. Орлов (СПБГЭТУ ЛЭТИ),
Б.И. Подлепецкий (НИЯУ МИФИ)
ОЛИМПИАДА ШКОЛЬНИКОВ «НАНОЭЛЕКТРОНИКА»: СБОРНИК
ЗАДАЧ И ЗАДАНИЙ С РЕШЕНИЯМИ, ОТВЕТАМИ И КОММЕНТАРИЯМИ /
Под ред. доцента В.А. Лапшинского. – М.: НИЯУ
МИФИ, 2011. – 108 с.
Сборник содержит задачи, тестовые и творческие задания с подробными
комментариями и решениями. Задачи и задания предлагались
школьникам на олимпиадах «Наноэлектроника», проведенных в
2009-2010 гг. в Национальном исследовательском ядерном университете «
МИФИ» и Санкт-Петербургском государственном электротехническом
университете «ЛЭТИ».
Сборник предназначен для учащихся и выпускников школ, лицеев
и гимназий с углубленным изучением физики, математики и информатики.
Сборник может быть полезен для слушателей подготовительных
отделений и курсов вузов, для учителей физики, а также
для студентов младших курсов.
Самостоятельная работа с данным сборником поможет будущим
абитуриентам подготовиться к участию в физических (и не только)
олимпиадах, поступлению в НИЯУ МИФИ, СПБГЭТУ ЛЭТИ и другие
престижные вузы России.
Пособие подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ
МИФИ в качестве учебно-методического пособия
Рецензент: академик РАН А.А. Орликовский
ISBN 978-5-7262-1479-5
© НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ», 2011
Редактор Т.В. Волвенкова
Оригинал-макет изготовлен В.А. Лапшинским
Подписано в печать 15.12.2011. Формат 60х84 1/16
Печ. л. 6,75. Уч.-изд. л. 8,0. Тираж 200 экз. Изд. № 1/4/121. Заказ № 44
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ».
115409, Москва, Каширское шоссе, 31.
ООО «Полиграфический комплекс «Курчатовский».
144000, Московская область, г. Электросталь, ул. Красная, д. 42
Оглавление
4
Приветствие участникам олимпиады
академика А.А. Орликовского
6
Предисловие
8
Библиография
14
ГЛАВА 1.
Задачи: очный этап олимпиады
20
Олимпиада 2009 года
Часть А. Физика наномира: электрические
свойства нанообъектов
20
Часть Б. Элементы интегральных микро-
и наноэлектронных схем (ИМС и ИНС) и
устройств на их основе
21
Часть В. Микро- и наноэлектромеха-
нические системы (МЭМС и НЭМС)
30
Олимпиада 2010 года
Часть А. Физика полупроводников: выбор
правильного ответа из нескольких
36
Часть Б. Физика наномира: электрические
свойства нанообъектов
38
Часть В. Современная нанотехника,
наноустройства и наносистемы
39
Решения задач олимпиады 2009 года
Часть А. Физика наномира: электрические
свойства нанообъектов
46
Часть Б. Элементы ИМС и ИНС и
устройств на их основе
47
Часть В. Микро- и наноэлектромеха-
нические системы (МЭМС и НЭМС)
52
Решение задач олимпиады 2010 года
Часть А. Физика полупроводников: выбор
правильного ответа из нескольких
57
Часть Б. Физика наномира: электрические
свойства нанообъектов
57
Часть В. Современная нанотехника,
наноустройства и наносистемы
58
3
ГЛАВА 2.
Творческие задания: Интернет
(заочный) этап олимпиады
67
О творческих заданиях
67
Олимпиада 2009 года
Физика и технология микро- и наноэлектроники
71
Элементы и кристаллы ИМС и ИНС и
устройства на их основе
78
Материалы для микро- и
наноэлектроники
85
Олимпиада 2010 года
Элементы и чипы ИМС и ИНС
87
Технология ИМС и ИНС
94
Устройства и системы на основе ИМС и
ИНС
96
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1. Требования и
методические рекомендации по
оформлению и подготовке и творческих
заданий
103
Приложение 2. Константы и приставки
для единиц измерения величин
107
4
Приветствие участникам олимпиады
От председателя оргкомитета олимпиады школьников
«Наноэлектроника» академика РАН А.А. Орликовского
Дорогие участники олимпиады
«НАНОЭЛЕКТРОНИКА»!
Вы
приближаетесь
к
заветной цели – окончанию
школы
и
поступлению
в
высшее
учебное
заведение.
Какое
направление
избрать
для
получения
высшего
образования? Этот вопрос является сложным для любого из
вас. Однако вы, наверное, решили быть физиками. Но физика
– очень большая область знаний. Что же избрать для
глубокого изучения в физике? Мне кажется, нужно избирать
один из новейших разделов физики.
Когда мы (мои ровесники и я) поступали в МИФИ (1955 год),
таким новейшим разделом была ядерная физика. Бурно
развивалась ядерная энергетика. В стране строились крупные
электрофизические установки (ускорители, ядерные реакторы
и
т.п.).
Для
целей
управления
такими
объектами
и
регистрации элементарных частиц была необходима электронная
аппаратура.
Облик
электронной
аппаратуры
начал
меняться
с
изобретением транзистора (1948 г.). Развитие транзисторной
электроники было столь стремительным, что уже через десять
лет были изобретены интегральные схемы (1958 г.). В 2000 г.
микроэлектроника
преодолела
100-нанометровый
барьер
(минимальный размер деталей транзистора). Этот переход
считается революционным, приведшим к рождению целого
ряда новых направлений науки и техники. Появились
наноэлектроника, наноэлектромеханика, нанооптика, нанофо-
5
тоника, спинтроника и наномагнитоэлектроника, полимерная
наноэлектроника, нанобиосенсорика и другие. Этот переход
сравнивают с «большим взрывом», в результате которого
родилась Вселенная! В нашем случае родилась целая
вселенная новых знаний.
У меня есть уверенность, что именно в этих новейших
разделах физики и нужно получать высшее образование! Уже
сейчас очевидно не менее бурное их развитие. Транзистор
сохраняет свои переключательные и усилительные свойства
до минимальных размеров канала 5 – 1,5 нм. Но уже при длинах
канала порядка 10 нм в транзисторе возникают квантовые
эффекты (размерное квантование, квантовомеханическое
отражение и интерференция, туннельные эффекты и др.).
Требуется квантовое описание свойств транзистора, хотя по
внешним сигнальным параметрам они остаются классическими
приборами. В области минимальных размеров 0,5 нм
и
менее
произойдет
смена
парадигмы,
наступит
эра
«квантовых чипов». Будут созданы технологии атомного
масштаба,
которые
позволят
производить
«квантовые
микросхемы», работающие на квантовых принципах. Это
станет результатом естественного развития наноэлектроники.
Примерно к 2030 году будут реализованы полномасштабные
квантовые компьютеры, которые позволят решать задачи
очень высокой сложности, недоступные даже мыслимым
суперкомпьютерам.
Поэтому мы приветствуем Ваш интерес к наноэлектронике.
От имени Физико-технологического института Российской
академии наук поздравляю Вас с участием в столь интересной
олимпиаде. Желаю победы!
Директор Физико-технологического института РАН,
академик А.А. Орликовский
6
“Не говори, а делай дело и делай его быстро”
Надпись на двери издательства Альда Мануция,
Венеция, около 1490 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В 2009 г. в НИЯУ МИФИ на факультете «Автоматика и
электроника» силами сотрудников и преподавателей кафедры
«Микро- и наноэлектроника» была организована 1-я олимпиада
школьников «Наноэлектроника». Цели олимпиады –
пропаганда новейших достижений науки и высоких технологий
в области наноэлектроники и нанотехнологий среди школьников –
будущих абитуриентов престижных вузов, а также
проведение
в
ее
рамках
других
профориентационных
мероприятий, которые позволяют провести отбор среди
абитуриентов лучших из них.
Председатель оргкомитета первой олимпиады
«Наноэлектроника» профессор В.С. Першенков (слева)
и ответственный секретарь олимпиады
доцент В.А. Лапшинский (справа)
7
В 2010 году состоялась 2-я олимпиада. На этот раз она проводилась
уже в качестве предварительного физического тура
для
всероссийской
физико-математической
олимпиады
«Росатом»1. К организации и проведению 2-й олимпиады
присоединился Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет (СПбГЭТУ) «ЛЭТИ». Это позволило
расширить географию олимпиады, учитывая ее популярность
среди школьников, дать им возможность получать олимпиадные
льготы не только в Москве и Центральном регионе,
но и в Санкт-Петербурге и Северо-Западном регионе. В 2010
году очный и заочный этапы олимпиады «Наноэлектроника»
были одновременно проведены в Москве и Санкт-Петербурге.
Если в 2009 году количество участников, победителей и
призеров олимпиады было немногочисленным (всего 35 человек),
то уже в 2010 году в олимпиаде приняло участие уже
около 300 школьников из различных регионов и городов
России (Мурманская и Ленинградская области, Республика
Татарстан, Владимирская, Смоленская, Рязанская, Курская и
другие области). Победителями и призерами олимпиады,
которые были допущены к заключительному этапу олимпиады
«Росатом» по физике, стали более 100 школьников.
В планы оргкомитета входит проведение совместно НИЯУ
МИФИ и СПГЭТУ ЛЭТИ 3-й олимпиады. Задачи и творческие
задания уже подготовлены. Причем они касаются не только
физики, но математики и информатики2.
1 Всероссийская физико-математическая олимпиада «Росатом» проводится
в Национальном ядерном университете МИФИ и входит в перечень
олимпиад школьников. Еѐ победители имеют существенные льготы при
поступлении в вузы. За годы проведения олимпиады «Росатом» этой
возможностью воспользовались тысячи школьников [36].
2 См. объявления о проведении олимпиады на портале нанотехнологического
общества России «НАНОМЕТР» – http://www.nanometer.ru/2010/12/09/
mifi_237622.html, на портале корпорации «РОСНАНО» –
http://www.rusnano.com/Post.aspx/Show/29633,
на сайте компании ИБМ и сайтах некоторых лицеев г. Москвы.
8
Оргкомитет олимпиады считает, что опыт проведения спе-
циализированной3 олимпиады «Наноэлектроника» был вполне
успешным. Вероятно, стоит надеяться на то, что данная
олимпиада,
учитывая
растущий
интерес
школьников
к
наноэлектронике, получит свое дальнейшее развитие. И
станет
одним
из
традиционных
мероприятий,
которые
позволяют усилить пропаганду специальностей, связанных с
высокими
технологиями,
привлечь
к
ним
внимание
школьников, выявить среди поступающих в университет
наиболее подготовленных и мотивированных на образование
и серьезную работу по будущей специальности, например,
«физика-наноэлектронщика»
и
«физика-нанотехнолога»,
абитуриентов.
В данном сборнике в первой главе собраны задачи с
ответами, решениями и подробными комментариями, которые
предлагались
участникам
олимпиады
на
очных
этапах
олимпиады в 2009/10 гг., а также тестовые задания с выбором
правильных
ответов.
Во
второй
главе
предлагаются
творческие задания с комментариями для заочных4 этапов
олимпиад.
Следует отметить, что авторы олимпиадных задач и
заданий и составитель сборника приложили максимум усилий,
чтобы в комментариях пояснить и даже визуализировать с
помощью оригинальных либо известных в Интернет рисунков
и иллюстраций новейшую и порой совсем неизвестную
школьником терминологию в области физики наномира и
наноэлектроники.
Поэтому
данный
сборник
следует
рассматривать не только как традиционные сборники задач с
решениями, которые помогают новым поколениям абитуриен-
3 Так же, как и успешный опыт проведения «обычных» предметных
олимпиад для школьников по физике, математике, информатике, организованных,
например, в НИЯУ МИФИ.
4 Заочные или интернет этапы олимпиады организовывались с использованием
специальных олимпиадных интернет-ресурсов. К их числу можно
отнести такие сайты: http://nano-e.ucoz.ru/, http://www.nano-e.ru/ и другие.
тов почувствовать уровень олимпиад в избранном вузе и
самостоятельно
готовиться
к
поступлению,
но
и
как
дополнение к пока немногочисленному списку популярных
изданий в области наноэлектроники и нанотехнологий [1-7].
Именно поэтому сборник может быть интересен учителям
физики (и не только) общеобразовательных учреждений для
подготовки и организации уроков с углубленным изучением
как физики макро-, так и физики наномира.
В
приложениях
к
сборнику
имеются
требования
и
методические рекомендации оргкомитета олимпиады по
правильной подготовке и оформлению творческих заданий, а
также справочный аппарат по размерным приставкам для
единиц измерения и физическим константам.
Официальный логотип
олимпиады
«Наноэлектроника»
Стоит
отметить,
что
помимо
официальных
организаторов
олимпиады
(оргкомитет,
методическая
комиссия, жюри олимпиады) активное участие в олимпиаде
приняли студенты кафедры «Микро- и наноэлектроника»
НИЯУ «МИФИ»5. Вот, что они сделали:
разработали
символику
и
официальные
логотипы олимпиады, один из которых стал победителем
в конкурсе и был утвержден оргкомитетом олимпиады в
качестве официального;
создали в рамках учебного курсового проекта
неофициальный сайт олимпиады, на котором были опуб-
5 Так как автор, выполняя обязанности ответственного секретаря
олимпиады, одновременно является преподавателем курса «Компьютерный
практикум» для студентов НИЯУ МИФИ, то в рамках освоения данной
дисциплины студенты были привлечены к решению вполне практических
задач подготовки и организации олимпиады с применением компьютеров.
10
ликованы как официальные документы олимпиады, так и
сообщения,
статьи
и
рефераты
студентов
по
популяризации достижений в области нанотехнологий и
наноэлектроники6;
Диплом победителя олимпиады «Наноэлектроника»
подготовили презентации по итогам, статистике
и аналитике олимпиад в 2009/10 гг., с которыми
6 www.nano-e.ucoz.ru – неофициальный сайт олимпиады “Наноэлектроника».
11
выступили перед участниками олимпиад на церемониях
награждения победителей и призеров;
создали видеофильмы и видеоклипы об олимпиадах
2009/10 гг., которые можно использовать в рекламных
и профориентационных целях7;
разработали дизайн и оформление фирменных
дипломов победителей и призеров олимпиад, которыми
и были награждены лучшие участники;
и, наконец, создали «Гимн олимпиады «Наноэлектроника»…
Составитель сборника хотел бы выразить благодарность
всем
студентам,
которые
с
энтузиазмом
занимались
олимпиадными
вопросами
и
делами
и,
одновременно,
сыграли не последнюю роль в привлечении в университет
новых поколений талантливых и заинтересованных в хорошем
высшем образовании абитуриентов.
Естественно, что составитель сборника выражает свою
самую
искреннюю
благодарность
сотрудникам
и
преподавателям кафедры «Микро- и наноэлектроника» НИЯУ
МИФИ, которые стали авторами задач и заданий олимпиады в
2009 и 2010 гг., сотрудникам факультета «Электроника»
СПбГЭТУ «ЛЭТИ» авторам задач и заданий в 2010 г.
И, наконец, составитель сборника выражает признательность
за помощь и поддержку в подготовке, организации и
проведении олимпиад декану факультета «Автоматика и
электроника», заведующему кафедрой «Микро- и наноэлектроника»
НИЯУ
МИФИ
профессору
В.С.
Першенкову,
заместителю
декана
по
профориентации
факультета
«Электроника» СПбГЭТУ ЛЭТИ доценту А.В. Андреевой, а
также своей жене Ирине – за терпение.
7 http://nano-_ e.ucoz.ru/load/video/olimpiada_quot_nanoehlektronika_quot
/pervaja_olimpiada_quot_nanoehlektronika_quot/42-1-0-33 – видеофильм об
олимпиаде 2009 г.
http://nano-e.ucoz.ru/news/nanoehlektronika_2010/2010-05-19-16 – видеофильмы
об олимпиадах 2009 и 2010 гг.
12
