Предмет наноэлектроники

Введение

Литература

Ограничения масштабирования

Компромиссы миниатюризации

Принципы масштабирования

Максимальное быстродействие и проблемы при миниатюризации межсоединений

Проблема отвода тепла

Анализ проблемы тепловыделения

Основные проблемы миниатюризации

Технологическая (проектная) норма

Закон Мура

Цифровая техника и логические вентили

Возможности, принципы и проблемы миниатюризации КМОП приборов

Пространственные масштабы наноэлектроники

Предмет наноэлектроники

Введение

План лекции

Лекция 1. Основные тенденции, проблемы и перспективы развития кремниевой наноэлектроники

Уточним прежде всего предмет лекции. Наноэлектронные приборы можно условно разделить на две группы. Первую группу составляют приборы, представляющие собой продукт эволюционного развития микроэлектронной транзисторной (главным образом, КМОП) технологии на основе кремния в сторону уменьшения размеров и увеличения степени интеграции. Вторую группу составляют наноэлектронные приборы, основанные на принципах, материалах и конфигурациях, отличных от стандартных КМОП технологий. Принципиальное отличие приборов этих двух групп заключается в том, что принцип действия приборов второй группы основан на квантовомеханических эффектах (например, диоды и транзисторы на основе резонансного туннелирования, одноэлектронные транзисторы, спинтронные приборы и др.). В современных кремниевых наноэлектронных МДП транзисторах, образующих первую группу, также проявляются квантовомеханические эффекты, однако они играют в основном отрицательную роль в работе транзисторов, и с ними приходится бороться (туннелирование через подзатворный окисел, туннелирование исток-подложка, квантование в канале). В лекции будет рассмотрено современное состояние и перспективы развития приборов первой группы – кремниевых нанотранзисторов. При этом главное внимание в лекции будет обращено на преодолении физических проблем, связанных с миниатюризацией кремниевых нанотранзисторов. Проблемы технологии рассматриваться не будут. Предполагается, что слушатели знакомы с основами физики МДП-транзистора, его вольт-амперными характеристиками и основными параметрами.

Название «микроэлектроника» связано с тем, что первые транзисторы имели размеры порядка 10 микрометров (микрон). За полвека развития размеры транзисторов уменьшились на несколько порядков величины. Граница между микроэлектронной и наноэлектронной технологиями носит условный характер и проводится на размерах ~ 100 нанометров (0,1 мкм). Это объясняется тем, что удобней оперировать целыми числами - нанометрами, а не долями микрометра. Для оценки размера в 100нм достаточно сказать, что такой размер имеет вирус гриппа. Переход в наноэлектронную область произошел в 1999 году. В 2012 году фирма Intel начала производство схем с технологической нормой 22нм и в настоящее время готовит выпуск схем с технологической нормой 14нм.

Что же касается внедрения в индустрию приборов на новых физических принципах или даже на новых материалах, то это представляется делом достаточно отдаленного будущего (не ранее чем через 20-30 лет). Несомненно, что некоторые уже давно известные и недавно открытые материалы (например, графен – моноатомная 2-х мерная решетка углерода с уникальными электронными и механическими свойствами) займут значительную нишу в будущей электронике. Тем не менее, полное вытеснение кремния как основного материала электроники представляется столь же маловероятным событием, как вытеснение железа в качестве основного конструкционного материала.