绪论2_介观现象12

《绪论2_介观现象12》由会员分享，可在线阅读，更多相关《绪论2_介观现象12（156页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、XIDIAN506LAB纳米电子学陕西省精品课程第一章 绪论第二节 纳米结构中的介观现象技术物理学院 杜磊XIDIAN506LAB纳米电子学教材与参考书北京大学西安电子科技大学上海交通大学NanoelectronicsXIDIAN506LAB第一章绪论1.1 引言纳米电子学是微电子学发展的必然结果 1.2 纳米结构中的介观现象纳米结构中物质运动的新现象和新效应 1.3 空间与时间特征尺度与纳米电子学相关的特征尺度XIDIAN506LAB上节课内容回顾 纳米电子学是电子学发展的必然结果 纳米电子学分为经典和量子纳米电子学 经典纳米电子学是微（米）电子学的延续纳 米CMOS技术 微处理器（微处理器

2、（CPU）芯片特征尺寸已经达到）芯片特征尺寸已经达到32纳米纳米 三星电子西高新投资项目是三星电子西高新投资项目是10纳米存储器芯片纳米存储器芯片 量子纳米电子学分两步实现： 用量子（介观效应）器件代替现在的经典器件，信息 处理方式仍是经典的 量子信息处理模式量子通信、量子计算机 无论是经典还是量子纳米电子学其物理基础均是介观 物理和量子力学XIDIAN506LAB1.2 纳米结构介观现象 1.2.1 “介观”的概念 1.2.2 粒子性表现的介观现象 弹道输运 载流子热化现象 单电子现象与库仑阻塞 散粒噪声 1.2.3波动性表现的介观现象 相位干涉导致的现象：普适电导涨落弱局域化 电子隧穿现象

3、：隧穿漏电流共振隧穿 1.2.4电子自旋的介观表现 巨磁阻 隧穿磁阻 自旋极化输运自旋电流扭矩XIDIAN506LAB“介观”的概念 直观理解介于宏观与微观之间的体系 严格定义：介观导体尺度相当于或者小于 L的体系被称为介观体系（北大介观物理） 介观半导体的尺度几十微米到几纳米之间 纳米结构（1100纳米）在介观尺度范围内Mesoscopic纳米结构会出现 典型的介观现象XIDIAN506LAB宏观导体中的扩散输运 宏观材料导电性可以引入局域电导率来描 述，如，矩形两维导体的电导（G）可以写 成：LWG/=一般认为电导率由材料的性质所决定，与样 品几何尺寸无关。XIDIAN506LAB欧姆导体

4、 欧姆定律成立的导体称为欧姆导体 欧姆导体的长度应远大于远大于以下三个 特征长度： 电子的德布罗意波长 与电子的动量有关 平均自由程 电子初始动量破坏之前运动的距离 相位弛豫长度 电子初始相位破坏之前运动的距离WGL=LW与样品尺寸 和形状无关/phk= hXIDIAN506LAB扩散输运理论 所谓扩散输运就是导体中电子 在电场作用下的运动不断受到 各种散射机制的散射作用 电子的迁移过程是扩散过程 其驱动力是浓度不均匀Bloch-Boltzmann准经典理论在描述杂质和 温度对于欧姆型导体电导的影响是成功 的，它也是当前电子学基本理论之一。XIDIAN506LAB介观（mesoscopic）导

5、体 当样品的尺度小到一定程度，欧姆定律可能就 不会成立了 导体导电性与样品的尺度是密切相关的 在上个世纪后期，引入了介观导体的概念，表 示介于宏观与微观之间的观导体 它远大于像原子这样的微观客体，但是又不能 大到成为欧姆型导体。XIDIAN506LAB量子特性引起的介观现象 物质具有波粒二象性和自旋 粒子性对介观系统载流子输运的影响 弹道输运单电子现象库仑阻塞 波动性对介观系统载流子输运的影响 干涉现象： 超导就是电子波的干涉在宏观输运中的表现 弱局域化 普适电导涨落 隧穿现象： 隧穿漏电流 共振隧穿 自旋相关的介观现象注：介观现象和效应 是波粒二象性与空间 尺度限制共同导致的XIDIAN50

6、6LAB1.2 纳米结构介观现象 1.2.1 “介观”的概念 1.2.2 粒子性表现的介观现象 弹道输运 载流子热化现象 单电子现象与库仑阻塞 散粒噪声 1.2.3波动性表现的介观现象 相位干涉导致的现象：普适电导涨落弱局域化 电子隧穿现象：隧穿漏电流共振隧穿 1.2.4电子自旋相关的介观现象 巨磁阻 隧穿磁阻 自旋极化输运自旋电流扭矩XIDIAN506LAB纳米CMOS技术中的创新2 适于集成的新结构器件新型准SOI MOS器件3 纳米尺度MOSFET中的准弹道输运1 适于32 nm及其以下技 术节点金属栅/高k栅介质 结构与集成工艺XIDIAN506LAB弹道输运 弹道输运概念与定义 从扩

7、散输运到弹道输运 弹道输运电阻 兰道尔公式 电导量子化 弹道输运结构与器件XIDIAN506LAB粒子性弹道输运 如果一个介观导体样品，其尺度小于载 流子的平均自由程，载流子输运的过程 中很可能就不会受到散射而通过样品 这种样品中的输运不是扩散输运，而被 称为弹道（ballistic）输运XIDIAN506LAB弹道导体 能够产生弹道输 运的导体称为弹 道导体，即对载 流子不产生散射 的导体。XIDIAN506LAB从扩散输运到弹道输运L 结构的尺度, le弹性平均自由程, lin非弹性平均自由程XIDIAN506LAB弹道导体的电阻 弹道导体的电阻应该为零 可是，实验表明当导体的长度L远远小

8、于平均 自由程，电导并不会无限大，而是趋于一个极 限值Gc 那么弹道导体的电阻来自何处？ 这种电阻来自于样品中不同材料界面或不同几 何区域的边界XIDIAN506LAB弹道导体电阻测量XIDIAN506LAB弹道导体的接触电阻 从两个接触盘之间测得的电阻主要来自 弹道导体与接触盘的界面，因为两者的 材料或几何尺寸是不相同的。 这个电阻（Gc1）称为接触电阻 电流在接触盘中以无限多的横向模式 （这一概念后面引入）运行 但是在导体内部仅有几个模式 这就要求电流在界面处模式重新分布， 从而导致了接触电阻XIDIAN506LAB接触电阻的计算公式 对于这一问题，可以采用入射波和反射 波的描述方法，即，

9、假设器件区的特性 由两边入射波的透射和反射所表征 接触电阻由Landauer公式计算 其中T和R分别是接触结构作为势垒的透 射系数和反射系数XIDIAN506LAB接触结构弹道输运电流 在可以忽略反射的情况下，略去 Landauer公式中的反射系数 在这种情况下，通过结构电流可以写成 如下半经典形式()() ()( )()=VeEfEfETkv2de2Irlzzz33kXIDIAN506LAB弹道输运的模式数目 在后面的章节将证明上式可以写为 引入了： 平均隧穿系数 横向模式数目()=NETeIF2h()=dE2mA2dN22hk()FETXIDIAN506LAB介观导体Landauer公式推

10、导=dEEfEfETEMheI)()()()(2 RL)(22 EMTheG =Landauer formulaTransmission probability between the leadsEFL EFR T Lead 1 Lead 2 Conductor Contact Contact 0)()(/)2/(222=+xxVExmhthe solution of the Schrdinger equation in the ith region is:Resonant Tunneling DevicesXIDIAN506LAB弹道输运接触电阻测量 接触电阻可以直接用量子点接触来测量 金属

11、材料的费米波长相当短，差不多是原子间 距的数量级，相应的模式数目M非常大，接触 电阻相对比较小。 半导体材料的第一个接触电阻测量实验在1988 年完成的XIDIAN506LAB量子点接触电子传输XIDIAN506LAB电导量子化电导量子XIDIAN506LAB可产生弹道输运的半导体量子点XIDIAN506LAB准弹道输运LLL平均自由程扩散输运，可由迁移率描述LL=22double tunnel junctionIe/C kehRT262EFECVEC EFXIDIAN506LAB单电子现象单电子盒与库仑台阶几条曲线对应于不同的温度单电子盒结构示意图平均电荷对栅压的 台阶状依赖关系XIDIAN

12、506LAB1.2 纳米结构介观现象 1.2.1 “介观”的概念 1.2.2 粒子性表现的介观现象 弹道输运 载流子热化现象 单电子现象与库仑阻塞 散粒噪声 1.2.3波动性表现的介观现象 相位干涉导致的现象：普适电导涨落弱局域化 电子隧穿现象：隧穿漏电流共振隧穿 1.2.4电子自旋相关的介观现象 巨磁阻 隧穿磁阻 自旋极化输运自旋电流扭矩XIDIAN506LAB介观涨落 介观系统既有明显的量子效应，又有独特（粒子数相 对于宏观系统少）的统计规律均属介观现象 含有大量微观粒子，涨落必然存在，粒子数减少，涨 落就更为显著 介观系统中涨落必然受到量子效应影响和制约，同时 涨落的种类和表现更为丰富。

13、介观系统中： 有常规器件中存在的热涨落、1/f涨落和散粒噪声有常规器件中存在的热涨落、1/f涨落和散粒噪声 有普适电导涨落、自旋极化涨落、相位敏感涨落和量子涨落 这些独特的涨落现象有普适电导涨落、自旋极化涨落、相位敏感涨落和量子涨落 这些独特的涨落现象 这些产生于介观系统的涨落统称为介观涨落XIDIAN506LAB介观涨落作为工具 介观涨落既然是各种作用和散射引 起的，也就携带有系统内部信息 介观系统中的涨落更为明显，也就 更容易检测和利用 今天介观涨落的研究与一百年前原 子光谱的研究十分相似 如果说光谱技术为人类开启了认识原子 世界的窗口 那么介观涨落也会成为人类窥探纳米世 界奥秘的窗口Th

14、e noise is the signalRolf LandauerRolf Landauer（1923-1999）one of the founding fathers of mesoscopic physicsXIDIAN506LAB物理学家欣赏噪声 噪声能够帮助物理学家找寻到一种高灵敏度的方法 来获取信号中携带的物质粒子性与波动性信息 测量得到的物理量随时间的涨落是一种信息的来源 这种信息不存在于物理量的时间平均值中Whether noise is a nuisance or a signal may depend on whom you ask.XIDIAN506LAB散粒噪声及其历史

15、真空管阴极发射电子与枪射出子弹有类似性散弹噪声真空管阴极发射电子与枪射出子弹有类似性散弹噪声经典散粒噪声XIDIAN506LAB经典散粒噪声功率谱 真空管中的散粒噪声产生是 由于电子按照随机Poisson过 程离开阴极 (或者通过栅格 grid) 在阴极中电子的热分布为 Boltzmann分布，热电子随机 占据Boltzmann分布的尾部是 随机性的来源。 Schottky计算了噪声功率。 噪声属于白噪声，与电流的 大小为线性关系。真空管中的电流XIDIAN506LAB介观散粒噪声的信息 在纳米尺度的导体实验中散粒噪声包含 的物理信息才逐渐被人们所认识 在纳米尺寸，散粒噪声可以揭示丰富的 电荷传输的信息 如果说微米半导体器件中1/f噪声是信息 主要携带者，那么纳米器件和结构中散 粒噪声是主要信息携带者XIDIAN506LAB散粒噪声的Fano因子 Poisson过程，散粒噪声 的功率谱密度表示为： 按照L-B公式经计算得 到： 散粒噪声抑制由于 统计相关性 Fano因子定义为XIDIAN506LAB量子点接触的噪声在量子点接触的输运中观察到1/f噪声，高频 部分有散粒噪声。XIDIAN506LAB经典 与