纳米电子学复习

纳米电子一章1、纳米是10-9米，纳米微粒的尺度定义在10-7~10-10米（0.1nm~100nm）2、请叙述什么是小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应。①小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应。例如：光学特性上的消光性，热学特性上的熔点降低，磁学特性上的高矫顽力，力学特性上的高强度、高韧性，其它如超导电性、介电性。②表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比。随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子所占百分数会显著增加，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应。③量子效应：介于原子、分子与大块固体之间的超微颗gau粒，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽，导致微粒的声、光、电、磁、热及超导特性等呈现出反常的特性。例如：导电金属超微粒可以变成绝缘体，光谱线会产生向短波长方向的移动。④宏观量子隧道效应：超微颗粒的一些物理量，会显示出隧道效应，称为宏观量子隧道效应。例如：电路尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法工作。3、什么是纳米科技？什么是纳米科技的科学意义？①纳米科技是指在纳米尺度（1nm~100nm）上研究物质（包括原子、分子的操纵和加工）的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学与技术。纳米科技的最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。②科学意义：a.纳米科技将促使人类认知的革命，纳米尺度上有许多新现象，新规律有待发现，是对人类人认知领域的新开拓；b.纳米科技将引发一场新的工业革命，它是21世纪经济增长的发动机，将促使传统产业“旧貌换新颜”，将推动产品的微型化、高性能化与环境友好化，将极大节约资源和能源，促进生态环境改善，为可持续发展提供技术保证；c.纳米科技将推动各门科学和技术的发展。4、纳米材料有哪些危害性？（双刃剑）①纳米材料体积小，在常温下可做布朗运动，悬浮在空间或液体中，这种漂浮和弥散与普通粉尘相比更加无孔不入，对环境和生物体造成污染和损害。②一切科学技术都会被用于提升战争中武器的威力和通讯的精度。③纳米科技将创造出许多自然界不存在的物质结构甚至生物体，带来不可预测的风险和威胁。5、解释纳米材料熔点降低的现象①由于纳米材料的小尺寸效应，晶体周期性的边界被破坏，非晶态纳米粒子表面层附近的原子密度减小，使得纳米材料的熔点降低。②由于表面效应，纳米颗粒的尺寸减小，其比表面积显著增加，颗粒表面原子相对增加，从而使得表面原子具有较高的活性且极不稳定，导致熔点降低。6、纳米科学技术的发展历史①1959年，理查德·费恩曼提出从原子/分子尺度上加工材料，是纳米科学技术思想起源；②1981年，扫描隧道显微镜发明③1989年，首次在镍表面用氙原子排除“IBM”④1990年，首届国际纳米科学技术会议召开，标致纳米科学技术作为一门独立学科正式诞生⑤20世纪90年代，纳米材料制备及其基本性质的研究是纳米科学的研究焦点。并且纳米科学技术的基础科学和应用技术从星星之火走向燎原之势。⑥21世纪初，纳米科技逐渐成为本世纪最有深远影响的高新科技之一。二章1、什么是纳米材料、纳米结构？纳米材料有哪4种维度？举例说明。①纳米材料广义上讲是指三维方向上至少有一个方向上材料尺度处于纳米尺度的材料，也包括一些复合结构。②纳米结构指的是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造的一种新体系，包括一维、二维、三维体系。这一过程成为纳米结构的合成和组装。③零维纳米材料，如纳米颗粒和纳米粉体材料；一维纳米材料，如纳米线、纳米管、纳米带、纳米梨子链聚集体；二维纳米材料，如纳米薄膜，半导体量子阱和超晶格结构；纳米中孔材料，如多孔硅、分子筛。2、纳米结构的意义①纳米结构的合成与组装是研究纳米科学与技术的基础；②纳米结构可将纳米材料分成基本研究单元，便于学习和研究纳米材料的特性；③纳米结构中的新现象、新规律为纳米材料的基础理论奠定基础；④纳米结构的合成与组装为制备各种宏观纳米器件提供新的技术；⑤通过控制纳米结构的组装来控制其性能，提供了功能纳米电子器件的设计基础。3、简述碳纳米管的制备方法，结构与形态，性能？①制备方法是通过电弧放电法、模版工艺。②1991年4月，日本NEC公司的饭岛澄男首次用高分辨透射电镜观察到多壁碳纳米管（MWNTS），是多层同轴管，也叫巴基管；1993年，发现单壁碳纳米管（SWNTS）。③与多壁碳纳米管相比，单壁碳纳米管是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷小，具有更高的均匀一致性。三章1、纳米CMOS器件新物理效应（沟道长度减小到一定程度后出现的物理效应）1)影响阈值电压的短沟道效应和窄沟道效应2)迁移率退化及载流子速度饱和效应3)影响器件寿命的热载流子效应HotCarrierEffect4)造成亚阈特性退化的漏感应势垒降低效应5)多晶硅耗尽效应6)源漏串联电阻的影响7)互连集成技术的挑战2、CMOS工艺在现代半导体工业中居主流地位的原因1)CMOS逻辑电路的零静态功耗2)MOSFET能按比例缩小3、什么是CE律？CE律的优缺点，如何改善？①理想的按比例缩小理论遵循三条规律：a.器件的所有横向和纵向尺寸都缩小k倍；b.阈值电压和电源电压缩小k倍；c.所有的掺杂浓度增加k倍。因为尺寸和电压同时减小，所以晶体管内部所有电场保持不变，因而成为“恒定电场按比例缩小”，简称CE律。②优点：a.源漏电流ID按比例缩小k倍（*Cox增加k倍，Von缩小k倍）；b.门延迟时间tD按比例缩小k倍；c.功耗延迟积PW·tD缩小了k3倍；d.器件面积缩小k2倍，集成度增加k2倍。③缺点：a.阈值电压不可能无限缩小；b.源漏耗尽区宽度不可能按比例缩小；c.电源电压标准的改变会带来很大的不便；d.各种寄生效应不能按比例缩小，因此集成电路的实际性能不能等比例提高。④改善：采用准恒定电场等比例缩小规则，即电源电压降低比例小于器件尺寸缩小比例，不完全等比例缩小。4、光刻技术是集成电路图形生成和复制的关键技术。主流光学光刻技术极限尺寸是60~70nm，原因是提高分辨率主要靠使用缩短光源波长，即使用深紫外光，而材料对深紫外光强烈吸收，所以无法继续缩短波长。5、下一代光刻技术及待解决的问题？①X射线投影光刻：一倍掩膜②极紫外（软X射线）光刻：无缺陷反射式掩膜、玷污控制、多层膜、光源、真空环境③电子束投影光刻：空间电荷效应、硅片表面热效应④离子束投影光刻：注入能量、缺陷，分辨率可以达到30nm以下。6、纳米栅线条和超浅PN结的制作是短沟道器件研制中最困难的工艺，原因是虽然新一代光刻技术已经能够加工和复制纳米器件但是存在工艺复杂，成本高以及其他难以解决的问题。7、纳米栅线条技术有哪两大类？其方法和特点是什么？①极短波长光刻以及类光刻技术：先制作超细光刻胶线条，在进行等离子体灰化得到更细的线条；特点是设备复杂、价格昂贵，且存在如X射线投影光刻掩膜版制作难、缺陷多，电子束投影光刻效率低、不能批量生产，极紫外光刻精度低等问题。②侧墙图形转移技术：第一步，常规光刻制备亚微米量级的光刻胶线条；第二步，等离子体灰化减小光刻胶线条的宽度；第三步，以此光刻胶线条为掩膜刻蚀出精细栅线条。特点是设备简单、成本低、操作方便。（25nm宽）四章1、纳米结构中载流子输运的几个基本物理现象有（1）设计和研究纳米器件最基本的理论依据：电导量子化、量子隧穿、库伦阻塞效应；（2）限制纳米器件的运行机制：热导量子化、普适电导涨落、量子相干效应2、什么是库伦阻塞效应？①当两个导体之间的纳米绝缘隙尺度小于电子自由程时，能够发生电子隧穿现象；②而由于电子库伦排斥作用，单个电子在两个初始状态为中性而且构成电容为C的两个区域间的隧穿过程，将使得系统的静电能增加e2/2c，因此在条件不满足时，单个电子的隧穿过程将被抑制，这就是单电子隧穿的库伦阻塞现象。3、请简述源—岛—源双隧穿结的单电子隧穿理论。①由于电子的库伦排斥作用，单个电子在两个初始状态为中性而构成电容为C的两个区域间的隧穿过程，将使得系统的能量增加，如果没有外界提供能量，电子很难随传过去，这就是库伦阻塞现象。若从-e/2端有一个电子隧穿到+e/2端，则两端分别变为+e/2和-e/2，系统的能量没有增加，即使外界不提供能量也可以隧穿。所以，若在两个电极之间的绝缘层中间再做一个电极，并使该电极带e/2个电荷，则原来两个电极分别感应出半个相反符号的电荷，因此可以通过绝缘层中间那个电极上的电压来控制隧穿效应的发生。②在绝缘隙中放置第三个被绝缘体包围的岛状电极，称为库伦岛、纳米岛或量子点。电子从源到漏必须经过中间的库伦岛。把金属岛看作理想导体，在充电电荷电荷达到Q时，其静电势满足Q=CeefV，Ceef为金属岛的等效电容。③对于两个导体构成的电容器，若两极电位差为V，带等量异号的电荷Q，则电容器所储存的电场能为U=QV/2，充电过程储存在两导体上的静电能为ES=Q2/2C。对于孤立导体，电容C=4πε0R，充电式需要做功为U=qV/2=q2/8πε0R。所以球体半径R越小，充相同电量所需做功越大。当导体进入纳米尺度时，充放电过程很难进行，或者充放电过程将变得不再连续进行，电子不能集体运输，而是一个一个的单电子传输，即体系变得电荷量子化。而充入一个电子做功为EC=e2/8πε0R=e2/2C，这个能量称为库伦堵塞能。所以可以利用库伦阻塞效应来实现单电子隧穿过程。④在一个纳米结构体系要观察到强库伦阻塞效应及其单电子隧穿效应，必须满足一定条件。首先，为避免热能帮助电子穿透能量势垒而破坏库仑阻塞效应，所以库伦阻塞能必须大于热运动能EC=e2/8πε0R=e2/2CKBT，所以库伦岛半径R越小，C就越小，EC就越大，允许观察的温度T就越高。其次，为了去除电子能量的不准度，将电子锁在库伦岛内，以防止破坏库伦阻塞效应，则根据海森堡测不准原理知，电子能量的不准度ΔE与时间的不准度Δt的乘积，要大于普朗克常数h，即△E△t≥h。其中△t=RC，R为界面电阻，C为量子点电容，所以在单电子元件中的两个隧道电阻要高到让RC时间足够长，才能控制在中央岛的电子个数。又因为希望电子能量之不准度ΔE远小于量子点能隙e2/C，即ΔEe2/C，所以代入△E△t≥h，得Rh/e2=RK~26kΩ，即界面电阻应该远远大于量子点电阻。六章1、光信号相比电信号的优点。a)传播速度快b)频带宽，传播的信息量大c)可以聚集成很细的光束、分辨率高d)抗电磁波干扰能力强e)可以实现同一空间多路信号传输f)与有线通信相比，光纤通信的损耗低、质量小2、激光的意思是通过受激发射光扩大，产生激光需要激发来源、增益介质、共振结构。3、简述激子理论①通常，把半导体材料吸收光子发生带间跃迁，看作光子将能带中价带电子激发到导带，形成电子和空穴彼此独立传导电流，且在吸收谱上形成陡峭的吸收边。实际上，光激发的电子-空穴可对因库仑力而相互束缚。光谱中，除了自由电子和空穴的连续谱外，还存在原子激发态的分离谱。②电子从价带被激发，但因库伦相互作用而和价带空穴相互联系在一起的一种中性的非传导电的束缚状的电子激发态，成为激子。这种相互作用的电子-空穴对可以形成束缚态，导致禁带中导带底附近出现对应的束缚能级，本征吸收边附近出现吸收尖峰或分离谱；也可以形成非束缚态，其对应的能量在吸收边以上，导致吸收边以上连续谱带的吸收系数显著增强，发生激子效应。③激子分类为弗伦克尔激子和万尼尔激子。弗伦克尔激子情况下，电子和空穴形成一个电偶极矩，电子-空穴距离与晶格常数相仿，这种激子是作为一个整体从一个原胞的位置运动到另一个原胞的位置，因此十分困难。它经常出现在绝缘体和分