Физика /
Санкт-Петербургский
государственный политехнический
университет
__________________________________________________
Реферат по теме
«Наноэлектроника»
Выполнил студент 3-го курса,
кафедры физики полупроводников и
наноэлектроники,
Гордиенко А.Н.
2002
Содержание
Введение ………………………………………………………………………………………………………………………... 1
Принцип квантования и условия наблюдения квантовых размерных эффектов ………………………………………….. 1
Структуры с двумерным электронным газом ………………………………………………………………………………... 2
Структуры с одномерным электронным газом (квантовые нити) ………………………………………………………….. 2
Структуры с нуль-мерным электронным газом (квантовые точки) …………………………………………………………3
Структуры с вертикальным переносом ………………………………………………………………………………………. 3
Технология квантово-размерных структур
Метод молекулярно-лучевой эпитаксии ……………………………………………………………………………. 4
Применение квантово-размерных структур в приборах наноэлектроники
Лазеры с квантовыми ямами и точками …………………………………………………………………………….. 5
Фотоприемники на квантовых ямах ………………………………………………………………………………… 5
Квантово-точечные клеточные автоматы и беспроводная электронная логика …………………………………. 7
Использованная литература …………………………………………………………………………………………………... 8
Введение
До недавнего времени физики и инженеры электронщики в своих расчетах использовали только законы классической физики. И это было вполне оправдано, т.к., например, электроны в кинескопе движутся так же, как классические материальные точки. Таких примеров можно привести очень много. Однако ситуация меняется. Интегральные схемы становятся все более сложными и объединяют в себе все большее количество элементов, следовательно, должны уменьшаться размеры этих элементов. Эти размеры достигли долей микрона. В этот момент описание на языке классической физики теряет всякий смысл и создатели вынуждены обратиться к квантовой механике.
В классической физике электроны, как и все другие частицы, движутся по траекториям. В любом случае, задав начальную координату и импульс, можно вычислить траекторию.
В квантовой механике картина движения совершенно иная. Эта теория не описывает движение по траектории. Здесь накладывается ограничение на точность, с которой могут быть заданы начальная координата и импульс электрона. Если координата электрона известна с точностью x, то его импульс можно определить не точнее, чем p h/2x. Это соотношение неопределенностей Гейзенберга. Из этого соотношения видно, что очень точное задание координаты электрона приводит к большой неопределенности импульса и, значит, направление, по которому будет двигаться электрон, предвидеть невозможно.
Физики уже накопили большой опыт в разработке приборов, действие которых основано на квантовомеханических принципах. Укладывая атомы с точностью до одного-двух слоев, можно создавать искусственные кристаллы, молекулы и атомы с заданными свойствами. Такие полупроводниковые структуры имеют размеры порядка нескольких нанометров. Можно выделить несколько основных типов микроструктур: квантовые ямы, нити, точки, сверхрешетки. О них в той или иной степени и пойдет речь.
Принцип квантования и условия наблюдения квантовых размерных эффектов
Как должно быть известно читателю, электрон обладает корпускулярно-волновым дуализмом. Следовательно, он может испытывать интерференцию, проникать через узкие щели и барьеры, но вместе с тем сохраняет признаки обычной частицы. Он имеет строго определенную массу и заряд. Кроме того, электрон, подобно классической частице, обладает импульсом и энергией.
Необходимо сказать о главной особенности квантовомеханического описания. Если в некото¬рый момент времени частица находилась в ограни¬ченной области пространства, то в будущем невоз¬можно достоверно предсказать ее местоположение. Можно говорить о распределении частицы в прост¬ранстве и о вероятности этого распределения. Ве¬личина, описывающая это распределение, получи¬ла название -функции или волновой функции. Она не описывает ус¬редненное поведение большого числа электронов или одного электрона, заряд которого "размазан" по всему пространству, она дает вероятностное, статистическое описание отдельного электрона. Интенсивность этой функции, а точнее, ее квадрат ||2 определяет вероятность обнаружить частицу в той или иной области, точнее, вероятность обнару¬жить частицу в интервале x равна ||2x. Волновая функция - это основная характеристика квантовой системы. Она содержит полную информацию об электронах или других частицах в атоме, молекуле, кристалле.
Необходимо рассмотреть одно из проявлений чисто квантовой природы электрона. Известно, что волны различной физической природы, возбуждаемые в ограниченном объеме, имеют строго определенную длину волны и частоту. В том случае, когда движение электрона происходит в огра¬ниченной области, его энергия имеет строго опре¬деленные, дискретные значения. Говорят, что спектр энергий квантован. Если электрон заперт в атоме, мо¬лекуле или любой потенциальной яме, то волновая функция представляет стоячую волну. Если речь идет о прямоугольной потенциальной яме, которая изображена на рисунке, то по своей форме волна будет такой же, как и в случае натянутой струны, однако, во-первых, природа волны здесь иная, а во-вторых, дискретным в этом случае будет не спектр частот, а спектр энергий. Стоячие волны, описывающие элек¬тронные состояния в яме, — это синусоиды, обра¬щающиеся в точках x=0 и x=a в нуль. n(x) = ((2/a))sin(xn/a) , где n – номер квантового состояния, a – размер ямы. На данном рисунке изображены три такие функции, соответствующие n = 1, 2, 3, ... Видно, что электронная плотность в яме распределяется неравномерно, есть максимумы и минимумы плотности вероятности. Также следует, что длины волн -функций, описывающих электронные состояния с различными n, удовлетворяют условиям n/2 = a/n, то есть в яме укладывается целое число полуволн.
Для наблюдения квантовых размерных эффектов расстояние между энергетическими уровнями должно быть достаточно велико. В первую очередь оно должно значительно превосходить тепловую энергию носителей: En+1 – En >> kT, иначе наблюдение эффектов будет невозможным. Если электронный газ вырожден и характеризуется энергией Ферми , то желательно также выполнение условия En+1 – En , при этом первое условие выполняется автоматически, т.к. kT
|
|