5. Моделирование кремниевых полевых нанотранзисторов с учётом квантовых эффектов

Датой рождения транзистора, полупроводникового устройства переключения электрических сигналов, считается 1947 г. (Дж. Бардин, У. Браттейн и У. Шокли из Bell Laboratories в США получили за эту работу Нобелевскую премию по физике в 1958 г.). Изобретение транзистора стало событием большой социальной значимости. Именно благодаря бурному развитию транзисторных полупроводниковых технологий человечество в конце ХХ века вступило в эпоху информатики [3].

Сегодня в практическую плоскость перешли разговоры о нанотранзисторах, появились их первые действующие прототипы. Вэбопедия (www.webopedia.org) определяет нанотранзистор как транзистор, размеры которого исчисляются нанометрами. Название приставки нано (10–9) происходит от греческого nannoV — карликовый, маленький. По нанометровым меркам первые выходцы из Bell Laboratories были гигантами — их величина измерялась сантиметрами. За полвека транзистор уменьшился примерно в сто тысяч раз по линейному размеру и в 1010 раз — по массе. За радикальными количественными превращениями кроется принципиальное изменение качества, так как устройства переключения электрических сигналов достигают минимально возможных размеров, обусловленных атомной структурой вещества. Да и свойства самих электрических сигналов в наномире оказываются существенно иными, нежели в микромире, не говоря уж о макромире.

Электрический ток теперь нельзя представлять в виде некоего подобия «электрической жидкости» или «электронного газа», протекающих через управляемый вентиль, поскольку квантованность электрического заряда выходит в наномире на первый план. Количество электрического заряда, которым можно манипулировать, кратно заряду электрона e. Как бы точно ни производилось измерение электрического тока, количество информации, которое можно передать с его помощью, строго ограничено и определено числом переданных элементарных зарядов.

Кроме эффекта квантования электрического заряда, на малых расстояниях начинают сказываться волновые свойства частиц. Длина когерентности электронной волны в твердом теле при обычной температуре составляет величину порядка единиц нанометров. Поэтому на расстояниях, меньших 1 нм, начинают проявляться волновые свойства электронов. Выражается это в том, что когда вещество берется в малых количествах, его не всегда можно однозначно отнести к изоляторам, проводникам или полупроводникам. Например, некоторые химические элементы, взятые в количестве, допустим, 20, 50 и 100 атомов, будут последовательно проходить стадию изолятора, полупроводника и проводника соответственно.

Все сказанное иллюстрирует тот факт, что использование ресурсов вещества, пространства, времени, энергии и информации в наномире строго регламентируется особыми правилами, основывающимися на законах квантовой механики. Мало того что конструирование нанотранзисторов превращается в сложную квантовомеханическую задачу, овеществление квантовомеханических схем и «чертежей» требует разработки сложнейших технологических процессов.

Итак, нанотранзистор — это существенно квантовомеханический прибор. Однако он вовсе не обязан работать только с квантовой информацией. Доказано, что в базисе нанотранзисторов возможна реализация устройств обычной классической логики. Более того, разработка промышленных технологий создания нанометровых приборов классической логики — главная задача современной наноэлектроники. На ее решение брошены огромные финансовые ресурсы в крупнейших научных центрах мира.

Когда же будет достигнут предел миниатюризации обычной электроники? Уже сейчас микроэлектронной промышленностью в опытном порядке создаются транзисторы с размером рабочих элементов 20–30 нм. Они еще способны работать с обычными электрическими сигналами, однако при дальнейшем уменьшении размеров очень быстро нарастают проблемы, о которых говорилось выше. Область от 30 нм до 5 нм (так называемая область мезоструктур) следует считать переходной от классической твердотельной электроники к квантовой. Промышленность вплотную подошла к этой области и уже столкнулась с рядом трудностей, о которых журнал недавно рассказывал (см. «КТ» #561, «Как делают микросхемы»). В соответствии с законом Мура, полное освоение области мезоэлектроники ожидается примерно через десять лет. Мезоскопические структуры — электронные приборы, размеры активной области которых сопоставимы с такими параметрами электрона, как длина волны де Бройля на поверхности Ферми, а также длина свободного пробега, длина когерентности, длина сбоя фазы и радиус экранирования. В таких приборах заметную роль начинают играть квантовые явления…»

Таким образом, мезотранзисторы — это последний рубеж существования обычных транзисторов, за которым последует поколение нанотранзисторов.