Kniga_16_Fizicheskie_osnovy_nanoinzhenerii-1

УДК 621.3 ББК 32.99

А65

УМК подготовлен в соответствии с заданием государственного контракта № 16.647.12.2008 на выполнение работ в рамках направления 2 федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии

в Российской Федерации на 2008–2011 годы»

Рецензенты:

кафедра «Вакуумная электроника» Московского физико-технического института (зав. кафедрой, академик РАН А. С. Бугаев);

кафедра «Электроника и информатика» Российского государственного технологического университета им. К. Э. Циолковского

(зав. кафедрой, профессор С. Б. Беневоленский)

Андреев В. В.

А65 Физические основы наноинженерии : учеб. пособие / В. В. Андреев, А. А. Столяров. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011.

– 224 с. : ил. (Библиотека «Наноинженерия» : в 17 кн. Кн. 16).

ISBN 978-5-7038-3507-4 (кн. 16) ISBN 978-5-7038-3509-8

Методические материалы по дисциплине «Физические основы наноинженерии» содержат ее нормативную базу, рекомендации по организации и проведению лекций, практических занятий, семинаров, лабораторных работ и деловых игр, перечень учебных видео- и аудиоматериалов, слайдов, типовых плакатов и другие дидактические материалы, необходимые для работы профессорско-преподавательского состава по данной дисциплине.

Для студентов, аспирантов и преподавателей высших технических учебных заведений по направлению подготовки «Наноинженерия». Будут полезны всем, занимающимся вопросами нанотехнологий, наноинженерии, проектированием МЭМС и НЭМС, созданием электронных систем различного назначения.

УМО среди вузов, осуществляющих подготовку по тематическим направлениям ННС, и внедрения компонентов вариативного маршрутного обучения на базе адаптированного учебно-методиче- ского комплекса дисциплин по тематическому направлению деятельности ННС «Наноинженерия».

УМК разработаны коллективом авторов в рамках реализации федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2011 годы».

На базе представленных УМК создана вариативная система маршрутного междисциплинарного обучения студентов по тематическому направлению деятельности ННС «Наноинженерия», обеспечивающая подготовку квалифицированных специалистов с соответствующими профилями. Разработаны электронные версии учебно-методических комплексов дисциплин на основе Webверсии, соответствующей стандарту SCORM 2004, 3rd edition (http://nanolab.iu4.bmstu.ru).

Глубокую благодарность авторы выражают рецензентам: А. С. Бугаеву – академику РАН, заведующему кафедрой Московского физи- ко-технического института, и С. Б. Беневоленскому – профессору, заведующему кафедрой Российского государственного технологического университета им. К. Э. Циолковского, чьи замечания способствовали улучшению содержания УМК.

Разработанные 17 УМК обеспечат учебно-методическую поддержку подготовки бакалавров и магистров по основным образовательным программам высшего профессионального образования по направлению подготовки «Нанотехнология» с профилем подготовки «Наноинженерия» образовательными учреждениями высшего профессионального образования на территории Российской Федерации.

Авторы будут признательны читателям за все замечания по содержанию УМК, которые следует направлять по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., МГТУ им. Н. Э. Баумана.

В. А. Шахнов

нию к объему полупроводника) носителей превышает концентрацию заряженных примесей.

Квантовая нить – наноструктура с одномерным электронным газом, в которой движение носителей пространственно ограничено по двум степеням свободы (1D-объект).

Квантовая точка – наноструктура, в которой движение носителей ограничено по всем пространственным степеням свободы. Локализованные в такой трехмерной квантовой яме носители образуют «нульмерный» газ с полностью дискретным спектром, подобно атомному спектру.

Квантовая яма – наноструктура в виде пленки, толщина которой соизмерима с длиной волны де Бройля (2D-объект).

Контактная разность потенциалов – разность потенциалов,

возникающая при контакте двух материалов в гомоили гетероструктурах. Равна разности работ выхода образующих гетеропереход материалов.

Обедненный слой – область вблизи p–n-перехода в гетероструктурах или в МДП-структурах, в которой концентрация свободных носителей мала по сравнению с концентрацией заряженных примесей.

Обогащенный слой – приповерхностная область полупроводника, образующаяся при приложении электрического поля, притягивающего к поверхности основные носители заряда.

Молетроника – это электроника, в которой в качестве элементов микроэлектронных схем используются отдельные органические молекулы или даже их фрагменты.

Спинтроника – направление наноэлектроники, в котором для использования в электронных устройствах применяются не только заряд электрона в твердом теле, но и его собственный квантовомеханический момент – спин.

Кантилевер – механический зондовый датчик для АСМ-мето- дик, представляющий собой балку, жестко закрепленную с одной стороны и имеющую острую иглу с радиусом закругления порядка

10 нм.

ВВЕДЕНИЕ

Внастоящее время в России ощущается острая потребность

винженерных кадрах, являющихся специалистами в области наноинженерии. Уменьшение проектных норм интегральных микросхем и микросистемных устройств до нанометрового диапазона требует применения принципиально новых технологических решений и разработки нового технологического оборудования.

Курс «Физические основы наноинженерии» занимает важное место в подготовке бакалавров, магистров и инженеров по основным образовательным программам высшего профессионального образования по направлению подготовки «Наноинженерия». В данном методическом пособии представлена нормативная база дисциплины «Физические основы наноинженерии», приведены рекомендации по организации и проведению лекций, практических занятий, семинаров, лабораторных работ.

Подготовка в области физики наноинженерии имеет важнейшее значение для формирования компетенций специалистов по направлению «Наноинженерия». Данные методические материалы посвящены описанию основных физических концепций, связанных с физикой полупроводников, нанонаукой и нанотехнологиями и возможностью создания на их основе микро- и наноэлектронных систем нового поколения. При их подготовке использовались как хорошо зарекомендовавшие себя учебные пособия по физическим основам микроэлектроники, так и появившиеся в последнее время монографии и пособия по физике нанотехнологий.

Важной задачей при преподавании физических основ наноинженерии для специалистов по направлению «Наноинженерия» является создание у студентов возможно полной и целостной картины физических процессов, на которых базируются микро- и наноэлектроника, формирование системы взаимосвязанных понятий и знаний, которые позволили бы понимать физику процессов работы элементов микро- и наноэлектроники и перспективы их развития, укладываясь в сравнительно небольшие объемы данного курса.

Для осмысленной и эффективной работы в области наноинженерии необходимо иметь четкие представления о процессах, происходящих при взаимодействии электронов и других заряженных и нейтральных частиц с аморфными и кристаллическими веществами, о физике твердого тела, физике полупроводников и диэлектриков, кристаллографии, материаловедении и многих других науках и уметь применять эти знания на практике для создания приборов и устройств наноинженерии.

Основной проблемой при написании методических материалов по направлению подготовки «Наноинженерия» являлось сохранить целостность восприятия студентами традиционных разделов физических основ микроэлектроники в сочетании со значительным расширением рассматриваемых вопросов, связанных с наноэлектроникой и нанотехнологиями.

В представленных методических материалах рассматриваются не только традиционные вопросы микроэлектроники, но и большое внимание уделяется физическим основам и физико-хими- ческим проблемам нанотехнологий и наноэлектроники.

1. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Основная цель дисциплины: изучение физических законов и явлений, на которых основано функционирование элементов современной микроэлектроники.

Задачи дисциплины: формирование научных представлений, умений и навыков по следующим направлениям:

♦элементы зонной теории твердых тел;

♦статистика электронов и дырок в полупроводниках;

♦электропроводность металлов и полупроводников;

♦электрофизические свойства p–n-переходов и структур ме- талл–диэлектрик–полупроводник;

♦основные принципы работы полевых транзисторов;

♦методы исследования физических процессов и определения параметров полупроводниковых материалов и структур.

1.1. ВВЕДЕНИЕ

Цель лекции: ознакомление с содержанием курса и его структурой.

Наноинженерия (англ. Nanotechnological engineering) – меж-

дисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, предметом которой являются исследования, проектирование и совершенствование методов производства и применения интегрированных систем, основанных на законах и принципах нанотехнологий и микро- и наносистемной техники. К ведению наноинженерии относится высокоточное приборостроение, машиностроение и биотехнологии с разрешающей способностью допусков размерных цепей объектов в десятки-единицы нанометров.

Началом развития электроники можно считать 1906 г., когда в США Ли де Форестом была изобретена трехэлектродная лампа.