[哈工大] 纳米电子学

1、纳米电子学,袁哲俊 哈尔滨工业大学 2005年4月,纳米电子学,微电子技术今后发展将受到的限制 量子电子器件 纳米电子器件的发展 单电子晶体管 ,单电子存储器 ,逻辑电路 分子电子学和分子电器件 原子电器件 纳米电器件的集成和量子计算机 微电子技术过去30年的发展,微米电子学的发展,1.1971年英特尔公司的4004芯片，时钟速度仅为108kHz，内含晶体管2300个，最小线宽为100m ； 2.1999年英特公司的Pentium 3 芯片（奔腾3芯片）， 时钟速度已经高达1GHz，在面积为217mm2的芯片内,有晶体管2800万个，最小线宽为0.18m。 3.最近2001年3月英特尔公司推出

2、的Pentium 4电脑的 时 钟速度已高达1.7GHz，最小线宽0.13m,在面积为 116mm2的芯片内,晶体管数超过4200万个。片速度和集成度提高了13000倍，线宽从1971年的10 4.计划十年内时钟速度达到10 GHz，30年来计算机芯片速度和集成度提高了13000倍，线宽从1971年的100m缩小到现在的0.13m，芯片上的晶体管已达到660万个/cm2。,莫尔定律芯片的晶体管数与年代的关系,芯片生产设备的投资与年代的关系,不同年代的芯片集成度和价格,功能电器件的尺度范围分界,微电子晶体管和单电子晶体管,纳米电子器件的发展途径构想,量子电器件的主要特征,1)电子的平均自由程和器

3、件的物理长度,2)量子比特 qubit,3)量子电导和量子电阻,量子电器件的主要特征,4)库仑阻塞效应 5)量子隧穿效应 6)信号载流子中的孤子 7)电导涨落,量子基础电元件,1)0维量子点(ODQD) 2)一维量子线(1DQW) 3)二维电子气(2DEG) 也称二维量子阱 4)纳米单电子晶体管(single electron transistor, SET)； 5)量子阱共振隧穿二极管 )； 6)纵向库仑堵塞结构； 7)纳米单电子存储器， 8)分子级单电子逻辑电路等,单电子晶体管,单电子晶体管的中心岛大小对出现库仑阻赛现象的示意图,纳米单电子晶体管实例,纳米单电子晶体管实例,单电子晶体管的实

4、测特性曲线,纳米尺度的单电子存储器,纳米尺度的单电子存储器,C60中心岛的单电子晶体管基型,碳纳米管中心岛的单电子晶体管基型,横向碳纳米管晶体管,碳纳米管晶体管特性曲线,IBM公司的碳纳米管分子逻辑电路,倒T形碳纳米管结构的分子三极管 细碳纳米管0.33 nm(4,0) , 粗碳纳米管1.5 nm (11,11),分子继电器模型示意图,Xe原子开关的工作原理,原子继电器模型,薄膜“T”形在存储元件结构示意图,薄膜“T”存储器等效电路,纳米芯片,Intel公司2000年12月公布，他们用最新纳米技术研制成功30nm硅晶体管芯片。新芯片运算速度达10GHz，是目前运算速度最快的Pentium4芯片运算速度2.4GHz的4倍。 Intel公司2001年又宣布又研制成功20 nm硅晶体管芯片，其中门的绝缘体只有0.8nm厚(约三个原子的厚度)，每秒开关变换次数极高。基于这种20 nm硅晶体管，可以制造含10亿个晶体管的硅晶体管芯片和计算机微处理器，其运行速度可高达20GHz，比2000年研制成功30 nm硅晶体管芯片，性能又提高很多。 Intel公司的一位工程师说，这种超小型新硅晶体管的研制成功，“使我们对硅的物理极限有了新的看法，硅也许还可以使用15年，今后用什么材料代替硅，那是谁也说不准的事。,量子计算机,1)量子计