纳米电子学-第一章 绪论.pptVIP

隧穿现象 势垒贯穿（隧穿）是量子力学的独有现象 隧穿研究始终伴随量子力学的发展 研究历史 α粒子核蜕变中发现粒子隧穿 1928年，Fowler发现场致发射 隧穿现象 研究历史 1933年，MIM或MIS绝缘层隧穿 Zener带间隧穿(固体、p-n结) 1950s，Esaki二极管NDR现象 1960s，超导-导体隧穿 隧穿现象 研究历史 1970s，GaAs/AlGaAs共振隧穿二极管（RTD） 尺度变化的直观概念 人手 皮肤 白细胞 DNA分子 纳米电子学相关的特征尺度 费米波长λF——电子波长相关 平均自由程lm——动量相关 相位弛豫长度Lφ——相位相关 屏蔽长度 微电子特征尺度的发展 费米波长（Fermi Wavelength） 定义 费米面附近电子的德布罗意波长λF=2π/kF= ns=5×1011/cm2时，半导体中电子λF约为35nm 费米波长的作用 低温，电流主要由费米面附近电子负载，相关波长 即费米波长 能量低于费米能的电子有较长波长，对电导无贡献 系统尺度接近费米波长，粒子的量子涨落显著增强 系统尺度大于费米波长，粒子的量子涨落明显减弱； 此时，量子相干性遭到破坏 平均自由程（Mean Free Path） 尺度分类 3D体材料——λFLxLyLz 准2D薄膜——λF~LxLyLz 准2DEG——LxλFLyLz 1D量子线——LxLyλFLz 0D量子点——LxLy Lz λF 平均碰撞时间τc 具有有效质量的电子在完整晶体中受散射而偏离称为碰撞 两次碰撞间平均时间间隔τc 电子由一个态散射至另一态，动量发生改变 平均自由程（Mean Free Path） 动量弛豫时间τm τm与τc满足： ；αm指一次碰撞的效果（0,1间取值） αm非常小， τmτc lm定义： 电子初始动量改变前行进的距离： lm =vF τm vF为费米速度： 如果ns=5×1011/cm2 ，则3×107cm/s， 假设τm为100ps， lm =30um 作用：区分欧姆导体与介观导体 与相干有关的特征长度 非弹性平均自由程(inelastic mean free path) 相位相干长度(phase coherence length)lφ 相位弛豫长度(phase-relaxation length)Lφ 作用：宏观系统尺度判据LLφ 与相干有关的特征时间 非弹性平均自由时间(inelastic mean free time) 相位破坏时间(phase-breaking time) 能量弛豫时间(phase relaxation time) 相位相干时间(phase coherence time) 在载流子相位相干性方面表示的时间尺度几乎相同，均用τφ表示 影响特征长度的因素 电子-电子散射 使相位随机化的主因，lm不受影响 散射频率依赖于ΔE=E-EF ΔE→0，电子散射受不相容原理抑制 杂质散射 具有内部自由度也可使相位随机化 刚性杂质碰撞不破坏载流子相位 声子散射 非定域声子如A-B环，对相干性无影响 长波长声子对相位破坏性很小 低温下某些半导体材料的参数 * 在传统晶体管结构中，控制电流通过的闸门，只能在闸门的一侧控制电路的接通与断开，属于平面的架构。在FinFET的架构中，闸门成类似鱼鳍的叉状3D架构，可于电路的两侧控制电路的接通与断开。这种设计可以大幅改善电路控制并减少漏电流(leakage)，也可以大幅缩短晶体管的闸长。 * 全耗尽绝缘体上硅 * * * * * * 弹道输运 电导率与费米能级处的电子扩散满足Einstein关系 σ=e2N(EF)D N(EF)—费米能级处电子密度；D—材料扩散系数 矩形二维导体的电导G可以表达为： G= σW/L W/L—宽长比 一般认为，材料电导率取决于材料本身性质，与材料的尺度无关。但是，前提是导体关键尺度远大于特征长度（见前面） 弹道输运 介观导体（mesoscopic） 弹道输运（ballistic） 一介观导体导体关键尺度小于载流子平均自由程，载流子输运过程可能不受散射 弹道输运 弹道导体—无散射机制、弹道输运、电阻为0 然而，实验表明，当λdBLφLm时，电导不会无限大，而是趋于极值Gc 弹道导体电阻来源？ 不同材料的界面或 不同几何区域的边界 弹道导体的电阻测量 接触盘电阻必须远小于导体 弹道输运 两接触盘间电阻来源于弹道导体与接触盘间 的界面——接触电阻Gc-1 接触电阻内在机理