1.2. Пространственные масштабы наноэлектроники
Согласно определению, транзисторы как элементы современных (2017г.) цифровых схем с размерами 14-90 нм относятся к разряду наноэлектронных, или, в более общем плане, наноразмерных объектов. Структуры таких размеров занимают промежуточное место между макроскопическими (>100нм) и микроскопическими объектами (<1нм). Характерные масштабы микроскопических объектов ограничиваются сверху приблизительно размерами атомов или молекул, не превышающими, как правило, 10-7см = 10 ангстрем = 1 нм. Масштабы, занимающие промежуточное положение между микроскопическими и макроскопическими размерами (1-100 нм), часто называют мезоскопическими.
Для
описания микроскопических объектов
требуется квантовая механика.
Макроскопические объекты с микронными
(микрон
микрометр = 1000нм) размерами и более, к
которым можно отнести те же МОП-транзисторы
двадцатилетней давности, описываются
законами макроскопической (классической)
физики. На мезоскопических
масштабах в любых объектах начинает
проявляться ряд новых свойств (эффектов),
не свойственных макроскопической
физике. В первую очередь, это
квантовомеханические эффекты:
туннелирование, размерное
квантование (квантовое ограничение),
квантовая интерференция. Туннелирование
в
стандартной транзисторной КМОП технологии
играет роль только паразитного эффекта,
обусловливая основной механизм утечек
в наноэлектронных
структурах.
В лекциях пойдет речь о современных наноразмерных кремниевых МОП транзисторных структурах, которые в настоящее время составляют основу кремниевой наноэлектроники (мезоскопические объекты). Можно сказать, что лекции посвящены суб-100 нанометровой кремниевой электронике.
2. Возможности, принципы и проблемы миниатюризации кмоп приборов
2.1. Цифровая техника и логические вентили
Современная цифровая схемотехника основана на бинарной логике и обработке сигналов двух уровней – логического нуля и логической единицы. Хорошо различимые устойчивые логические состояния должны быть соотнесены с хорошо различимыми устойчивыми физическими состояниями, в качестве которых можно использовать, например, степень зарядки конденсатора. Хранение, передача и обработка сигналов возможны только при наличии эффективной системы коммутации, то есть возможности легко запирать конденсатор, заряжать и разряжать его с помощью управляющих сигналов.
Почти идеальным прибором, сочетающим в себе свойства конденсатора, способного хранить информацию, и коммутационного ключа с нелинейными характеристиками, является МОПТ.
По историческим причинам в цифровой технике вначале доминировали биполярные технологии. Разработка первого микропроцессора Intel 4004 в 1971г. ознаменовала начало эры доминирования цифровых МОП технологий. С начала 80-ых гг. ХХ в. доминирует технология, использующая комплементарные МОП транзисторы, известная как КМОП (CMOS) технология. Эта технология является основой современной микро- и наноэлектроники и, как предполагается, останется таковой в обозримой перспективе.