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

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2020

УДК 621.382(075.8)
ББК 32.85я73
          Б91
Рецензенты:
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.
Б91    Современные устройства и элементы наноэлектроники : учебно-методическое 
пособие / Е. А. Бунтов, А. С. Вохминцев, Т. В. Штанг ; Мин-во 
науки и высш. образования РФ. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 
2020. — 132 с.

ISBN 978-5-7996-3090-4

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 978-5-7996-3090-4 
© 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 зако-
номерностей, определяющих физико-химические особенности фор-
мирования 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 разра-
ботки новых принципов, а вместе с ними и нового поколения сверхми-
ниатюрных 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 изобре-
тением и практическим освоением вакуумного триода (1906, Л. Де 
Форест и Р. Либен). Создание вакуумных ламп запустило электрон-
ную промышленность. Однако после Второй мировой войны было 
замечено, что из-за огромного количества отдельных компонентов 
сложность и энергопотребление ламповых устройств значительно воз-
росли. Например, американский тяжелый бомбардировщик Boeing 
B-29 во время войны мог содержать 300–1000 вакуумных ламп. Каж-
дый 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 — микро-
электронике.

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 конструк-
цию полевого транзистора. Первые микросхемы использовали техно-
логию 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 рассея-
ние 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 представи-
ли первые логические элементы, в которых n-канальные и p-канальные 
транзисторы были использованы в конфигурации комплементарной 
симметричной схемы, сегодня известной как КМОП (CMOS), имею-
щей практически нулевое рассеивание статической мощности. Бла-
годаря таким характеристикам, как низкое энергопотребление, на-
дежность и высокая скорость, технология КМОП заменила NMOS 
и биполярную технологию практически для всех цифровых прило-
жений.
В течение следующих нескольких лет масштабирование КМОП 
и совершенствование технологий обработки привели к постоянному 
повышению скоростей передачи данных, наряду с дальнейшим улуч-
шением плотности упаковки чипов и соотношения производительно-
сти и стоимости продуктов на основе микроэлектроники.
В 1965 году один из основателей компании Intel Гордон Мур сделал 
интересное открытие. Он заметил, что процесс постоянного уменьше-
ния размеров элементов интегральных схем подчиняется некоторому 
закону, позднее названному законом Мура. В соответствии с этим за-
коном плотность компоновки электронных компонентов в интеграль-
ной 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, высо-
котехнологичной экономики, обеспечили появление множества про-
дуктов 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 дол-
ларов США, рынок связанных услуг — 6.5 триллиона. Вместе с рын-

Введение

ком полупроводниковых компонентов (280 миллиардов), технологи-
ческого оборудования и материалов (80 миллиардов) они составляют 
более 16 % мирового ВВП. В дополнение к прямому экономическо-
му эффекту, полупроводниковая промышленность является одним 
из крупнейших инвесторов в области научных исследований и разра-
боток (15–20 % общего объема). В США над созданием полупроводни-
ковых устройств напрямую работает порядка 250 тыс. человек, а об-
щее 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 ин-
тернета, 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. Полупроводни-
ковые устройства окружают нас всегда и везде. С переходом от микро-
электроники к наноэлектронике описанные тенденции только уси-
ливаются.
Многие из окружающих нас предметов могут стать более интерак-
тивными и интеллектуальными. Вместе с развитием технологии ме-
няются и требования потребителей: производительность, миниатюр-
ность и удобство использования, функциональность, скорость выхода 
новых устройств на рынок. Однако удовлетворение новых требований 
сопряжено со множеством проблем, включая усложнение архитекту-
ры приборов, использование дорогостоящих технологий, проблемы 
тепловыделения и теплоотвода.
По мере приближения размеров твердотельных структур к наноме-
тровой области, а это образования из единиц и десятков атомов, все 
больше проявляются квантовые свойства электрона. С одной стороны, 
данное явление приводит к нарушению работоспособности классиче-
ских транзисторов, использующих закономерности поведения элек-
трона как классической частицы, а с другой — открывает перспективы 
создания новых уникальных переключающих, запоминающих и уси-
ливающих элементов для информационных систем.



1.Элементынизкоразмерныхструктур.
Гетеропереходы

У

меньшение характерных размеров и технологических норм 
на производстве интегральных компонентов с неизбежно-
стью влечет за собой появление в их структуре наноразмерных 
контактов между материалами одного (металл — металл) или различ-
ных типов (металл — полупроводник, полупроводник — диэлектрик 
и т. д.). При этом помимо специфики объемных контактов (контактная 
разность потенциалов, изгиб зон в приповерхностной области, интер-
фейсные дефекты) следует учитывать возможные квантовые явления, 
такие как ограничение движения носителей заряда, туннелирование 
и др. Задачей настоящей главы является знакомство с основами фи-
зики низкоразмерных структур, в частности (гетеро-)переходов между 
электронными материалами различных видов. В последующих пара-
графах в порядке увеличения сложности будут рассмотрены вариан-
ты 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 ис-
пытывать их влияние в виде сил межатомного взаимодействия. Такое 
состояние кристалла больше не является равновесным, а система са-
мопроизвольно переходит в новый минимум потенциальной энергии 
за счет смещения атомов.
Смещение без изменения типа кристаллической решетки называ-
ют релаксацией поверхности (рис. 1.1). В процессе релаксации, одна-