Современные устройства и элементы наноэлектроники

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Е. А. Бунтов
А. С. Вохминцев
Т. В. Штанг

СОВРЕМЕННЫЕ УСТРОЙСТВА 
И ЭЛЕМЕНТЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

Учебно-методическое пособие

Рекомендовано методическим советом 
Уральского федерального университета 
для студентов вуза, обучающихся 
по направлениям подготовки
11.03.04, 11.04.04 — Электроника и наноэлектроника; 
28.04.02 — Наноинженерия

2-е издание, стереотипное

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2022

УДК 621.382(075.8)
ББК 32.85я73
          Б91
Рецензенты:

Б91 

лаборатория физики и технологии тонких пленок НИФТИ ННГУ 
им. Н. И. Лобачевского (завлабораторией канд. физ.-мат. наук А. Н. Михайлов);
гл. науч. сотр., завлабораторией низких температур ИФМ УрО РАН, д-р 
физ.-мат. наук В. В. Марченков

Научный редактор — проф., д-р физ.-мат. наук С. В. Никифоров

Бунтов Е. А.
   Современные устройства и элементы наноэлектроники : учебно-методическое пособие / Е. А. Бунтов, А. С. Вохминцев, Т. В. Штанг. — 2-е 
изд., стер. — Москва : ФЛИНТА : Изд-во Урал. ун-та, 2022. — 132 с. — 
ISBN 978-5-9765-5036-0 (ФЛИНТА) ; ISBN 978-5-7996-3090-4 (Изд-во 
Урал. ун-та). — Текст : электронный.

В пособии рассмотрены физические основы, а также основные типы современных и перспективных элементов наноэлектроники. Особое внимание уделено полевым транзисторам с индуцированным каналом (МОП), их масштабированию и побочным эффектам миниатюризации. Рассмотрены краткие теоретические 
сведения и задания для практических занятий по разделам, не нашедшим отражения в основной части пособия.
Настоящее пособие может быть использовано в учебных целях в вузах физического, приборостроительного и электротехнического профилей.

Библиогр.: 11 назв. Рис. 94. Табл. 4.

УДК 621.382(075.8)
ББК 32.85я73

ISBN 978-5-9765-5036-0 (ФЛИНТА) 
ISBN 978-5-7996-3090-4 (Изд-во Урал. ун-та)

© Уральский федеральный
     университет, 2020

Оглавление

Список сокращений .......................................................................5

Введение .......................................................................................6

1. Элементы низкоразмерных структур. Гетеропереходы ...........11

1.1. Свободная поверхность и поверхностные состояния ....11
1.2. Межфазные границы: атомная и зонная структура .......14
1.3. Низкоразмерные структуры и квантовое ограничение ...21

2. МОП-транзисторы и «короткоканальные» эффекты .............23

2.1. Простейшая модель МОП-транзистора с длинным 
        каналом ............................................................................23
2.2. Связь статических и динамических характеристик 
        МОПТ ..............................................................................27
2.3. Эффекты масштабирования транзисторов ....................29

3. Технологии миниатюризации транзисторов в кремниевой 
электронике.................................................................................38

3.1. Токи утечки и масштабирование транзисторов .............38
3.2. Технологии борьбы с токами утечки ..............................41
3.3. Альтернативные типы транзисторов ..............................46

4. Основы одноэлектроники ........................................................48

4.1. Одноэлектронный транспорт и туннелирование ...........48
4.2. Одноэлектронный транзистор ........................................52
4.3. Примеры одноэлектронных устройств ...........................55

5. Современные элементы памяти ...............................................57

5.1. Магнитная память ...........................................................58
5.2. Сегнетоэлектрическая память ........................................60

Оглавление

5.3. Память с изменением фазового состояния ....................61
5.4. Резистивная память. Мемристоры .................................62

6. Квантовые компьютеры...........................................................65

6.1. Квантовые биты и регистры............................................66
6.2. Квантовые операции .......................................................68
6.3. Практическая реализация квантовых компьютеров ......70
6.4. Перспективные квантовые алгоритмы ...........................73

7. Экспериментальные аспекты наноэлектроники ......................75

7.1. Исследование туннельного эффекта на туннельном 
        диоде ................................................................................75
7.2. Исследование характеристик МОП-транзисторов ........94
7.3. Моделирование работы МОП-транзистора .................100
7.4. Исследование резонансно-туннельного эффекта........105
7.5. Моделирование ионной имплантации .........................113

Библиографический список.......................................................129



Списоксокращений

МОП (Т) 
— структура «металл — оксид — полупроводник», 
 
 
применяющаяся в полевых транзисторах (Т) 
 
 
с изолированным затвором
ВАХ 
— вольт-амперная характеристика
ВЗ 
— валентная зона
DIBL 
— индуцированное стоком понижение барьера 
 
 
в полевом транзисторе
GIDL 
— ток стока, индуцированный затвором
ЗЗ 
— запрещенная зона
ЗП 
— зона проводимости
КНИ (SOI) — технология «кремний на изоляторе»
ОЗУ 
— оперативное запоминающее устройство
ПЗУ 
— постоянное запоминающее устройство
MTJ 
— магнитный туннельный переход
КТ 
— квантовая точка
КЯ 
— квантовая яма
УНТ 
— углеродные нанотрубки



Введение

Н

аноэлектроника является новой областью науки и техники, 
формирующейся сегодня на основе последних достижений 
физики твердого тела, квантовой электроники, физической 
химии и технологии полупроводниковой электроники. Ее содержание 
определяется необходимостью установления фундаментальных закономерностей, определяющих физико-химические особенности формирования наноразмерных структур (структур с размером от единиц 
до десятков нанометров, 1 нм = 10–9 м), их электронные и оптические 
свойства. Исследования в области наноэлектроники важны для разработки новых принципов, а вместе с ними и нового поколения сверхминиатюрных супербыстродействующих систем обработки информации.
Исторически первым электронным переключающим прибором 
был вакуумный диод, запатентованный в 1904 году англичанином 
Д. А. Флемингом (рис. 1). Развитие электроники отмечено изобретением и практическим освоением вакуумного триода (1906, Л. Де 
Форест и Р. Либен). Создание вакуумных ламп запустило электронную промышленность. Однако после Второй мировой войны было 
замечено, что из-за огромного количества отдельных компонентов 
сложность и энергопотребление ламповых устройств значительно возросли. Например, американский тяжелый бомбардировщик Boeing 
B-29 во время войны мог содержать 300–1000 вакуумных ламп. Каждый дополнительный компонент снижал надежность и увеличивал 
время устранения неполадок.
Крупным прорывом стало изобретение контактного германиевого 
транзистора (1947, У. Браттейн, Дж. Бардин, У. Шокли). В 1950 году 
компания Shockley разработала первый биполярный транзистор. 
По сравнению с вакуумными лампами, транзисторы оказались более 
надежны, энергоэффективны и имели меньшие размеры. Создание 
интегральных микросхем на кремнии (рис. 2, 1958–1959, Дж. Дам

Введение

мер) положило начало новому направлению в электронике — микроэлектронике.

Рис. 1. История создания электроники. Верхний ряд, слева направо:  
Л. Де Форест, Р. фон Либен, У. Браттейн, Дж. Бардин, У. Шокли, Д. Кан, 
М. Аталла. Нижний ряд: электровакуумные лампы, первый биполярный  
и первый полевой транзистор 1

Рис. 2. Дж. Даммер и первые поколения интегральных микросхем

1 На рис. 1, 2 использованы фотографии с сайтов https://wikipedia.org, https://
invent.org. 

Введение

Примерно в те же годы Д. Кан и М. Аталла предложили конструкцию полевого транзистора. Первые микросхемы использовали технологию с n-каналом NMOS, потому что процесс NMOS был довольно 
простым, менее дорогим и больше устройств могло быть упаковано 
в один чип по сравнению с технологией КМОП. Поскольку рассеяние статической мощности транзистора NMOS больше по сравнению 
с КМОП, потребление энергии ИС стало серьезной проблемой в 1980-х 
годах, когда тысячи транзисторов были интегрированы в один чип.
В 1963 году Ф. Уонласс и К. Т. Сах из компании Fairchild представили первые логические элементы, в которых n-канальные и p-канальные 
транзисторы были использованы в конфигурации комплементарной 
симметричной схемы, сегодня известной как КМОП (CMOS), имеющей практически нулевое рассеивание статической мощности. Благодаря таким характеристикам, как низкое энергопотребление, надежность и высокая скорость, технология КМОП заменила NMOS 
и биполярную технологию практически для всех цифровых приложений.
В течение следующих нескольких лет масштабирование КМОП 
и совершенствование технологий обработки привели к постоянному 
повышению скоростей передачи данных, наряду с дальнейшим улучшением плотности упаковки чипов и соотношения производительности и стоимости продуктов на основе микроэлектроники.
В 1965 году один из основателей компании Intel Гордон Мур сделал 
интересное открытие. Он заметил, что процесс постоянного уменьшения размеров элементов интегральных схем подчиняется некоторому 
закону, позднее названному законом Мура. В соответствии с этим законом плотность компоновки электронных компонентов в интегральной схеме удваивается приблизительно каждые полтора–два года, 
что приводит к соответствующему росту мощности вычислительных 
средств и их производительности (рис. 3). Первый микропроцессор 
был анонсирован фирмой Intel в 1971 году.
С тех пор полупроводниковые приборы стали основой новой, высокотехнологичной экономики, обеспечили появление множества продуктов и услуг, которые окружают нас в повседневной жизни, дома 
и на работе. Главной тенденцией этого развития является уменьшение 
размеров приборных структур. Согласно оценкам 2007 года (рис. 4), 
мировой рынок электронных товаров составляет 1.1 триллиона долларов США, рынок связанных услуг — 6.5 триллиона. Вместе с рын

Введение

ком полупроводниковых компонентов (280 миллиардов), технологического оборудования и материалов (80 миллиардов) они составляют 
более 16 % мирового ВВП. В дополнение к прямому экономическому эффекту, полупроводниковая промышленность является одним 
из крупнейших инвесторов в области научных исследований и разработок (15–20 % общего объема). В США над созданием полупроводниковых устройств напрямую работает порядка 250 тыс. человек, а общее число создаваемых рабочих мест превышает миллион.

Рис. 3. Графическое изображение одноименного закона в работе Г. Мура 
(на фотографии) 1965 года1

Обслуживание

Телекоммуникации,
интернет

Медицина, транспорт,
безопасность, космос

Краеугольный камень
экономики высоких технологий

Продукты

Полупроводники

Материалы и оборудование

Рис. 4. Объем рынка электроники и сопутствующих материалов в 2007 году

1 На рис. 3 использованы фотографии с сайта https://www.computerhistory.org.

Введение

В то же время полупроводниковые устройства прочно вошли в жизнь 
современного общества, которую невозможно представить без интернета, средств связи и компьютеров, управляющих большинством 
транспортных и промышленных систем. По оценке Гордона Мура, 
уже в 2003 году человечество производило порядка 10 18 транзисторов, 
в 100 раз больше, чем количество муравьев на Земле. Полупроводниковые устройства окружают нас всегда и везде. С переходом от микроэлектроники к наноэлектронике описанные тенденции только усиливаются.
Многие из окружающих нас предметов могут стать более интерактивными и интеллектуальными. Вместе с развитием технологии меняются и требования потребителей: производительность, миниатюрность и удобство использования, функциональность, скорость выхода 
новых устройств на рынок. Однако удовлетворение новых требований 
сопряжено со множеством проблем, включая усложнение архитектуры приборов, использование дорогостоящих технологий, проблемы 
тепловыделения и теплоотвода.
По мере приближения размеров твердотельных структур к нанометровой области, а это образования из единиц и десятков атомов, все 
больше проявляются квантовые свойства электрона. С одной стороны, 
данное явление приводит к нарушению работоспособности классических транзисторов, использующих закономерности поведения электрона как классической частицы, а с другой — открывает перспективы 
создания новых уникальных переключающих, запоминающих и усиливающих элементов для информационных систем.



1.Элементынизкоразмерныхструктур.
Гетеропереходы

У

меньшение характерных размеров и технологических норм 
на производстве интегральных компонентов с неизбежностью влечет за собой появление в их структуре наноразмерных 
контактов между материалами одного (металл — металл) или различных типов (металл — полупроводник, полупроводник — диэлектрик 
и т. д.). При этом помимо специфики объемных контактов (контактная 
разность потенциалов, изгиб зон в приповерхностной области, интерфейсные дефекты) следует учитывать возможные квантовые явления, 
такие как ограничение движения носителей заряда, туннелирование 
и др. Задачей настоящей главы является знакомство с основами физики низкоразмерных структур, в частности (гетеро-)переходов между 
электронными материалами различных видов. В последующих параграфах в порядке увеличения сложности будут рассмотрены варианты подобных структур.

1.1.Свободнаяповерхностьиповерхностныесостояния

Наиболее простой структурой, возникающей, например, при сколе 
(надломе) кристалла в вакууме, является свободная поверхность. При 
сколе исчезает половина атомов, а оставшаяся половина перестает испытывать их влияние в виде сил межатомного взаимодействия. Такое 
состояние кристалла больше не является равновесным, а система самопроизвольно переходит в новый минимум потенциальной энергии 
за счет смещения атомов.
Смещение без изменения типа кристаллической решетки называют релаксацией поверхности (рис. 1.1). В процессе релаксации, одна

1.Элементынизкоразмерныхструктур.Гетеропереходы

ко, изменяются межатомные расстояния в приповерхностном слое: 
на рис. 1.1, а изображено сближение поверхностного слоя с нижележащими за счет отсутствия сил притяжения к атомным слоям, исчезнувшим после скола. Гораздо больше вариантов возникает при образовании поверхности с изменением кристаллической решетки — при 
реконструкции поверхности (рис. 1.2).
                       а                                                   б

d12
d23

d bulk

a12

Рис. 1.1. Виды релаксации поверхности кристалла со сдвигом верхней атомной 
плоскости перпендикулярно (а) и вдоль (б) поверхности
                       а                                                     б

2 a

a

2 a

a

Рис. 1.2. Примеры реконструкции поверхности кристалла с образованием  
двойных (а) и пропущенных (б) атомных рядов на поверхности

Реконструкция может происходить с образованием поверхностных 
дефектов, с участием примесных атомов-адсорбатов. Результатом может стать весьма сложная структура поверхности с периодичностью, 
отличной от объемного кристалла. Так, свободную поверхность кремния описывают большой элементарной ячейкой, включающей 7 · 7 = 49 
ромбовидных примитивных ячеек идеального среза Si (111). Кроме 
того, чужеродные атомы-адсорбаты могут формировать собственную 
решетку на поверхности, некратную основной структуре кристалла.
Зонная структура поверхности отличается от таковой для исходного кристалла наличием «поверхностных состояний», которые соответствуют атомам на поверхности, по своему окружению отличным