Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

Данная работа посвящена развивающимся нанотехнологиям. В ней описывается устройство лазеров, транзисторов, гетероструктур, области их применения и перспективы развития. Кроме того, в работе поясняются особенности исследований в наномире, рассматривают перспективы развития наноэлектроники.

Почти все действующие в мире учебники по физике начинаются с «классической механики», и школьники и студенты прежде всего усваивают представления о столкновениях абсолютно твердых тел, о движении материальных точек и т. п. Такая методика обучения основана на истории развития физики. Стоит сравнить её со значительно более быстрым развитием программного обеспечения — новые программы для ЭВМ в качестве ядра содержат куски программ старых, архаичных. Однако в настоящее время, именно в связи с развитием нанотехнологии, было бы более эффективно начинать обучение физике с иного представления о веществе. Замечательный советский физик Давид Абрамович Киржниц в своих лекциях говорил, что «противопоставление вещества как корпускулярной... субстанции излучению…» отвечает устаревшей традиции. Волновые и корпускулярные свойства не противоречат, но дополняют друг друга. Нанотехнолог это тот человек, который способен использовать в одних случаях волновые свойства квантовых объектов для получения нужного результата, а в других случаях — свойства корпускулярные.

Само слово «лазер» есть аббревиатура английского «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» — усиление света вынужденным излучением. Для того чтобы получить источник лазерного излучения, надо поместить активную среду в оптический резонатор — между двух параллельных зеркал с высоким коэффициентом отражения. (Рис. 1) В этом случае спонтанно возникающая электромагнитная волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном зеркалам, будет поочередно отражаться от них, усиливаясь при прохождении через активную среду. Если одно из зеркал сделано частично прозрачным, то на выходе из него получаем лазерный луч.

Создание транзисторов со все более уменьшающимися размерами и увеличивающимся быстродействием — одна из самых распространенных целей нанотехнологов.
Транзистор — трехэлектродный полупроводниковый электронный прибор, изменяющий свое сопротивление при приложении напряжения к управляющему электроду, что позволяет управлять более мощной цепью при помощи существенно менее сильного сигнала. Благодаря этому свойству транзистор применяется для усиления, генерации, коммутации и преобразования электрических сигналов. Простейший транзистор представляет собой пластинку полупроводника, в которой легированием созданы два близко расположенных р-n перехода. Пусть для определенности это будет структура р-n-р. Область между переходами принято называть затвором (более раннее название — база, в данном случае это n-область), а «обкладки базы» — истоком и стоком (более ранние названия, соответственно, эмиттер и коллектор). На Рис. 2 показано простейшее включение р-n-р структуры в электрическую схему. В р-n-р структуре проводимость осуществляется в основном дырками. Между эмиттером и базой приложено небольшое прямое напряжение, дырки эмиттера «охотно» мигрируют в базу.

Гетеропереходом называется контакт двух разных полупроводников, в отличие от р-n перехода, где контактируют две области одного полупроводника, только с разными внедренными примесными атомами. В гетероструктуре может быть последовательно объединено несколько гетеропереходов.
На рис. 3 схематично показано, что происходит при нанесении слоя InxGa1-xAs (с большей постоянной решетки) на подложку GaAs (с меньшей постоянной решетки). При нанесении первых слоев наносимые на подложку атомы «выстраиваются» с межатомным расстоянием, совпадающим с постоянной решетки подложки. Но это означает, что наносимый на подложку полупроводник InxGa1-xAs оказывается сжат. Различие в постоянных решетки на 5% уже дает достаточно серьезное сжатие. Модуль упругости арсенида галлия составляет 8,5 ×1010 Па, это означает, что для сжатия на 5% надо приложить к материалу давление примерно 425 атмосфер. Для полупроводника это очень много, различие постоянных решетки на 5% может просто «порвать» гетероструктуру
Гетероструктуры с регулярным чередованием слоев с разными свойствами называются сверхрешетками. Классическим примером сверхрешетки является полупроводник с чередованием слоев GaAs и AlGaAs. «Исходные» полупроводники являются как бы матрицей, формирующей свойства полупроводниковых квазичастиц — электронов и дырок, которые движутся в периодическом потенциале. Движение в периодическом потенциале квантуется — уровни электронов и дырок в квантовых ямах расщепляются в зоны разрешенных энергий, разделенные промежутками запрещенных энергий. Все происходит точно так же, как и при формировании энергетических зон в кристаллах, только период решетки примерно в 100 раз больше, соответственно, масштабы энергий в 10 000 раз меньше (обратно пропорционально квадрату периода). По этой причине образующиеся в полупроводниковой сверхрешетке «новые» зоны называются минизонами. Можно считать, что зона проводимости и валентная зона исходного кристалла дополнительно расщепляются вблизи своих краев.

Эта работа посвящена нанотехнологиям. Особую актуальность эта тема имеет из-за того, что нанотехнологии – это наше будущее, хотим мы этого или нет. Эта отрасль науки развирается гигантскими темпами, и то что еще вчера было невозможно завтра будет обычным делом.