Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

Национальный исследовательский ядерный университет

«Московский инженерно-физический институт»

Факультет «Автоматики и электроники»

Кафедра «Микро- и наноэлектроники»

Курс« Применение персональных компьютеров»

Физические основы кремниевой наноэлектроники

Группа: А04-09

Выполнил: Воеводская А.С.

Преподаватель: доцент В.А. Лапшинский

Москва 2015

(Версия 2.0 от 27.05.2015)

 VoevodskayaAn

Аннотация

Данная работа знакомит читателя с физическими основами кремниевой наноэлектроники, которая понимается как электроника на основе наноразмерных МОП-транзисторов, изготовленных на основе кремния. Эта работа состоит из 8 страниц и в ней приведены 6 рисунков и 2 таблицы.

Ключевые слова: транзистор, МОП, МОПТ, КМОП, скейлинг.

Глоссарий

Транзистор – трехэлектродный полупроводниковый электронный прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом.

МОП – металл-окисел-полупроводник.

МОПТ (МОП-транзисторы) – полупроводниковые приборы на основе МОП-технологии.

КМОП – комплементарная логика на основе МОПТ.
ВАХ – вольт-амперная характеристика.

Скейлинг – это уменьшение геометрических размеров приборов с сохранением некоторых функциональных и параметрических инвариантов.

Содержание

Аннотация

Глоссарий

Введение

1.Пространственные масштабы наноэлектроники

2.Общая структура наноэлектронных приборов

3.Полная энергия носителя (электрона или дырки)

4. Основные типы транзисторов

4.1. Биполярный транзистор

4.2. Полевой транзистор

5. МОП-транзистор и КМОП-инвертор

5.1. МОП-транзистор и его принцип действия

5.2. КМОП-инвертор

6.Закон Мура

6.1. Формулировка закона

6.2. Скейлинг

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Тема, затронутая в данной работе актуальна в настоящее время, так как совершенствование МОП-технологий началось с p-канальных МОП-транзисторов с начала 70-х годов и продолжается по настоящее время. Кремниевая наноэлектроника – это  электроника на основе наноразмерных МОП-транзисторов, изготовленных на основе кремния. Ключевым отличием МОП-транзисторов от других полупроводниковых элементов является его способность управляться напряжением, что позволяет создавать аппаратуру с очень низким потреблением электроэнергии. Что же касается внедрения в индустрию приборов на новых физических принципах или даже на новых материалах, то это произойдет не ранее чем через 20-30лет. Несомненно, что некоторые уже давно известные и недавно открытые материалы (графен) займут значительную нишу в будущей электронике. Тем не менее, полное вытеснение кремния как основного материала электроники представляется  маловероятным событием. В данной работе речь пойдет о наноразмерных транзисторных структурах.

1. Пространственные масштабы наноэлектроники

Характерные масштабы микроскопических объектов ограничиваются сверху приблизительно размерами атомов или молекул, не превышающими 1 нанометр. Для иллюстрации промежуточного положения современной транзисторной структуры между макроскопическим и микроскопическим миром приведем иерархию масштабов в таблице 1.

Таблица 1. Пространственные масштабы наноэлектроники

2. Общая структура наноэлектронных приборов

Цифровая техника может быть построена на основе устройств, позволяющих модулировать ток во внешней цепи. Принципиальная схема для широкого класса таких устройств представлена на рисунке 1. Оно состоит из контактов внешней цепи («истока» и «стока»), активной области («канала») и управляющего электрода («затвора»).

Рисунок 1. Принципиальная схема транзисторной структуры с управляющим затвором

Основой приборов такого типа является электростатическое управление положением энергетических уровней в активной области прибора («канале») и связанная с этим возможность модуляции (контролируемого изменения) тока между «истоком» и «стоком», желательно в максимальном диапазоне значений. Поэтому «каналы» изготавливаются из полупроводников, а не из металлов, проводимостью которых управлять очень сложно.

3. Полная энергия носителя (электрона или дырки)

Полная энергия носителя, не взаимодействующего с окружающей средой, представляется в виде суммы потенциальной и кинетической энергии:

E = E_p + U(x).

Кинетическая энергия в кремнии:

E_p = p²/2m,  где m –  эффективная масса в кремнии, а p – импульс электрона.

Потенциальная энергия (U) определяется электростатическим потенциалом  Þ(x), а ее знак определяется знаком заряда носителя U=+-qÞ, где знаки плюс (минус) соответствуют дырке (электрону)

4. Основные типы транзисторов

Управление током в выходной цепи происходит за счет изменения входного тока (в базе биполярного транзистора), либо входного напряжения (на затворе полевого транзистора). Небольшое изменение входных величин может приводить к большему изменению выходных величин, а именно выходного напряжения и выходного тока.

4.1. Биполярный транзистор

Работа биполярного транзистора, в отличие от полевого транзистора, основана на переносе зарядов одновременно двух («би» — «два») типов, носителями которых являются электроны и дырки.

На данный момент для изготовления транзисторов используется монокристаллический кремний и  монокристаллический арсенид галлия. Приборы, сделанные на его (арсенида галлия) основе очень быстродействующие  из-за   высокой подвижности носителей. Такие приборы часто используются в схемах СВЧ-усилителей. Биполярный транзистор состоит из трёх различным образом легированных полупроводниковых слоёв: эмиттера E(Э), базы B (Б) и коллектора C (К) (рисунок 2.). В зависимости от чередования типа проводимости этих слоёв различают n-p-n (эмиттер − n-полупроводник, база − p-полупроводник, коллектор − n-полупроводник) и p-n-p транзисторы.

Рисунок 2. Сечение биполярного (n-p-n) транзистора

4.2. Полевой транзистор на p-n переходе

Полевой транзистор (рисунок 3) - полупроводниковый прибор, в котором регулирование тока осуществляется изменением проводимости проводящего канала с помощью поперечного электрического поля.

Электроды полевого транзистора называют истоком (И), стоком (С) и затвором (З). Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком. От напряжения между затвором и истоком зависит проводимость канала, следовательно, и величина тока.

Рисунок 3. Схемы полевых транзисторов разных типов

5. МОП-транзистор и КМОП-инвертор

5.1.  МОП-транзистор и его принцип действия

1.) Преимущества МОПТ

• Малое время переключения и, вследствие этого, малые потери при переключении;

• Малая мощность, затрачиваемая на переключение;

2.) Принцип действия МОПТ

 Основан на модуляции тока с помощью электростатического эффекта поля (рисунок 4). Положительный заряд на металлическом (или сильнолегированном поликремневом (из поликристаллического кремния)) затворе (gate, G), образующийся там при приложении положительного потенциала, индуцирует в кремниевой подложке для определенности p-типа равное количество отрицательного заряда.

Рисунок 4.Сечение n-канального МОПТ

Подложка состоит:

• слоя отрицательно заряженных акцепторов (обедненный слой)

• тонкого слоя подвижных электронов (инверсионный слой)

D – электроды стока.

S – электроды истока.

Типичный вид вольт-амперных характеристик n-канальных МОПТ показан на рисунке 5.

Рисунок 5. Вольт-амперные характеристики n-МОПТ: (а) выходные ВАХ при фиксированных V_GS; (б) передаточные ВАХ при фиксированных V_GS

5.2. КМОП-инвертор

На рисунке 6 представлена схемотехническая реализация логической функции НЕ (инвертора) на основе КМОП-технологии, использующей одновременно транзисторы двух типов. Увеличивая напряжение на входе (затворах транзисторов обоих типов), мы одновременно увеличиваем проводимость n-МОПТ и уменьшаем проводимость p-МОПТ.

Рисунок 6. Электрическая схема КМОП-инвертора

6. Закон Мура

6.1 Формулировка закона

Гордон Мур сформулировал закон в 1965 г.

Первоначальная формулировка закона звучала следующим образом: «Количество транзисторов на чипе (интегральной схеме) удваивается каждые 12 месяцев».

Физическое содержание закона состоит в идее возможности размерного скейлинга.

Необходимо, чтобы при скейлинге не изменялись электрические характеристики ВАХ транзисторов. Для этого необходимо оставлять постоянными некоторые параметрические инварианты.

6.2. Скейлинг

Таблица 2. Основные принципы скейлинга с постоянным электрических полей

Деннард пришел к выводу, что уменьшение размеров приборов улучшает почти все характеристики схем, как функциональные, так и экономические.

a – численная характеристика скейлинга - безразмерный масштабный фактор. Наблюдаемая численная характеристика скейлинга a≈5 за 10 лет (здесь a >1).

Заключение

Как известно, КМОП-технология (комбинация n-канальных и p-канальных транзисторов) является основой современной микро- и наноэлектроники и, как считают ученые, останется таковой в будущем, потому что для создания радио - электронной аппаратуры необходим усилительный элемент. Одним из более широко применяемых элементов является МОП-транзистор. В данной работе был рассмотрен предмет наноэлетроники и структура МОП-транзистора.

Список используемой литературы

1. Зебрев Г.И. Физические основы кремниевой наноэлектроники: Учебное пособие. — М.: МИФИ, 2008. — 288 с.

2. Биполярный транзистор

3. Изобретение_транзистора