《从微电子器件到纳米电子器件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《从微电子器件到纳米电子器件（66页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、天津理工大学纳米材料与技术研究中心第五章：从微电子器件到纳电子器件工业革命以来已经 历了三次主导技术 ，引发了三次工业 革命什么是主导技术？科学革命技术革命产业革命天津理工大学纳米材料与技术研究中心第一次产业革命(1734-1834） 主导技术：蒸汽机 动力变革，热能、机械能 科学基础: 牛顿力学、热力学 、能量转化原理天津理工大学纳米材料与技术研究中心第二次产业革命（1835-1914） 科学基础：电的发现、 电磁理论 主导技术：电气化技术(发电机和电动机、电力传输、无线电通讯)天津理工大学纳米材料与技术研究中心第三次产业革命（1945-2010？） 科学基础： X射线的发现放射线的发现半导
2、体的发现 主导技术：微米技术微电子技术 天津理工大学纳米材料与技术研究中心三次产业革命的启示:1.每一次产业革命造就了一、二个先进国家；2.主导技术经历了孕育期生长期、高速发展期、稳定期，主导技术周期约50-60年；3.主导技术的稳定期开始蕴酿下一个主导技术；4.主导技术带动产业革命，先从传统产业开始，逐渐形成新的产业群。天津理工大学纳米材料与技术研究中心节省能源 利用资源 优化环境新工业革命天津理工大学纳米材料与技术研究中心存储密度： 106 1011 =10万个磁盘 读写速度：1GB 20GB纳米技术新工业革命的主导技术20世纪天津理工大学纳米材料与技术研究中心高集成、高空间分辨率， 存储
3、密度：1000GB 计算速度提高1001000 倍、功率增加1000倍，能 耗降低一百万倍，芯片尺 寸降低1001000倍纳米技术21世纪纳米技术是21世纪科技 发展的制高点, 是新工 业革命的主导技术。天津理工大学纳米材料与技术研究中心纳米技术医疗药物环境能源 宇航交通生物农业电子器件 计算机国家安全 新材料 制 造传统产业 推动GDP快速增长 对关键问题的影响力天津理工大学纳米材料与技术研究中心信息技术知识 爆炸 时代纳米科技技术 爆炸 时代纳米科学的内涵基 础纳米材料制高点纳米电子学纳米加工纳米生物基 础纳米物理纳米化学纳米力学在纳米科技中，纳米电子学处于特殊重要的地位， 因为纳米电子学
4、是微电子学发展的下一代。电子器件的发展与三代电子器件1897年Thomson发现电子后，在物理学上做了两件重要的 事：控制电子在真空中和固体中（固体中电子达1022/cm）的运动状态，产生了电子器件。电子器件的发展已经历了两个 时期，真空电子管和固体晶体管。 电子器件主要用于处理光、电信号 光、电信号的主要参量是振幅、频率和相位信号加工就是按信号的内容来改变这些参量，包括信号 的放大、变频、叠加、数学运算、逻辑运算和存储等信号加工中最基本的是放大，即用小信号控制生成对应 的大信号，最关键的元件是放大三极管1. 真空电子管：1906年发明，它是将电子引入真空环境中，用加在珊极上的电压改变发射电子
5、阴极表面附近的电场，来控制达到阳极电流的大小，从而实现信号放大作用。有真空二极管和真空三极管，其尺寸在几厘米到几百厘米。2. 晶体管：1947年诞生，电子器件发展经历了第一次变革。 晶体管基本单元为 p-n（整流特性）结和 p-n-p 结(信号放大），相应的有晶体二极管和晶体三极管。晶体管的体 积小（由厘米降到微米），功耗小（从毫安降到微安）， 制成大（超大）规模集成电路，称为微电子器件。4004808080868008Pentium486 DX386 Processor286Pentium IIPentium IIIItaniumGoal: Over 1 billion transistor
6、s by 2005Pentium 4Itanium 2微电子器件发展的摩尔(moore)定律-芯片上晶体管数 量每隔18个月将会增加一倍。天津理工大学纳米材料与技术研究中心Moores Second LawPlant costMask costgenerationX 1000$微光刻与微纳技术历程和发展趋势1968 1971 1974 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010 2013 201616K1M16M1G16G光 刻 工 艺 特 征 尺 寸芯 片 集 成 度8.0 um 5.0 um 3.0 um 2.0
7、um 1.3 um 0.8 um 0.5 um 0.35um 0.25um 0.18um 0.13um90 nm65 nm45 nm32 nm22 nm1986年最细线宽 0.5um1995年最细线宽 0.18um2004年最细线宽 2250nm1980年最细线宽 1.0um3 46128438一台 JBX 3040电子束光掩模 制造系统2000万美圆 相当一架波音737建设一家 45nm技术节点、12英寸 集成电路制造厂 30-35亿美圆一套180nm工艺节点掩模版 25万美圆 一套130nm工艺节点掩模版 85万美圆 一套90nm工艺节点掩模版 150万美圆 一套65nm工艺节点掩模版 3
8、00万美圆 一套45nm工艺节点掩模版 500万美圆一套22nm工艺节点掩模版 1500万美圆芯片中三极管的价格随时间的降低$1000$1000$1000$1000Chip Price8088286486奔4$ $天津理工大学纳米材料与技术研究中心CMOS器件的若干挑战性问题Si-MOSFET极限 Gate Length 100 teraflopsNEC Supercomputer: Top-down technology Tons 500 kW 40 teraflops1. 量 子 计 算 机经典计算机： 二进制位存储： 非0即1开或关串行处理量子计算机：实现量子计算的装置，它是建立在量子
9、力学的原理上工作的。利用量子位（qubits）存储信息, 用量子态表示0和1（自旋向上或向下）。量子存储器可以不 同的概率同时存储0或1，量子位可以是0和1的叠加。天津理工大学纳米材料与技术研究中心量子计算机的优点:(1) 计算速度快：计算速度可提高10亿倍,1个400位长的数分解成质数乘积,采用巨型机需10亿年,用量子计算机只要一年；(2) 量子位储存能力大大提高；(3) 可完成一些传统计算机无法完成的计算。高效率模拟、模拟量子系统， 40个自旋1/2粒子体系；(4) 低能耗：量子计算机计算是么正变换，是可逆的。 天津理工大学纳米材料与技术研究中心量子计算机存在的问题(1)受环境影响大，纠错
10、复杂(2) 消相干效应：量子信号与外部环境发生 相互作用，导致量子相关性的衰减，使相干 性很难维持。(3) 克服消相干效应是量子计算机要克服的 主要困难。(4) 消相干还会导致运算结果出错，如何进 行量子纠错是量子计算机要克服的另一困难 。2. DNA 生物计算机： DNA分子上包含大量的遗传密码，它能通过生化反应来传递信息，这些密码可以被看成是数据。 DNA计算机是通过控制DNA分子之间的生化反应来完成计算，反应前的基因代码可作为输入数据，反应后的基因代码可作为运算结果，反应在瞬间完成，也意味着计算可以在瞬间完成。天津理工大学纳米材料与技术研究中心3. 光子计算机：传统的计算机是利用电流来进
11、行计算，而光子计算机是用光束来进行计算和存储，不同波长的光就代表不同的数据。其优点是信息处理速度快，光子不需要在导线中传播，只要不满足干涉条件，即使光线相交，也不会相互影响，因此能够大大缩小信息通道的空间。迎 接 碳 时 代名称时时期/年石器时代30000 铜器时代3200 铁器时代1700 硅时代40 碳时代？作为微电子的下一代，纳电子器件有自己的理论、技术和材 料。微电子的主要材料是硅，下一代电子器件的材料是什么 ？碳可能是21世纪的时代材料。C脚手架C60晶体管纳 米 变 阻 箱石墨烯石墨烯是2004年由曼彻斯特大学的科斯提 亚诺沃谢夫和安德烈盖姆小组首先发现 的。它是一种从石墨材料中剥
12、离出的单层 碳原子面材料，是碳的二维结构。它的厚 度只有0.335nm，把20万片薄膜叠加到一 起，也只有一根头发丝厚。石墨烯具有原子级的厚度、优异的电学性石墨烯具有原子级的厚度、优异的电学性 能、出色的化学稳定性和热力学稳定性：能、出色的化学稳定性和热力学稳定性： 石墨烯是世界上已知的最为牢固的材料石墨烯是世界上已知的最为牢固的材料 ，若用石墨烯制成包装袋，它将能承受大，若用石墨烯制成包装袋，它将能承受大 约两吨重的物品。约两吨重的物品。 石墨烯还是目前已知的导电性能最出色石墨烯还是目前已知的导电性能最出色 的材料（电子通过率几乎达到的材料（电子通过率几乎达到100%100%），极），极 有
13、可能取代硅而成为未来的半导体材料有可能取代硅而成为未来的半导体材料天津理工大学纳米材料与技术研究中心What makes CNTs good ? Easily withstand high current densities of Easily withstand high current densities of billion A/cmbillion A/cm2 2 Made to be Made to be conductorconductors or s or semiconductorsemiconductors s CircumferenceCircumference is inv
14、ersely proportional to the is inversely proportional to the band gap band gap No clean room required to make themNo clean room required to make them NanoscaleNanoscale diameter diameter Strength Strength How to make metallic and semiconducting CNTsSaturation point after about 1.5 or 1.6 degrees/sect
15、ion （4，0）碳管垂直生长在（11，11）碳管上组成的纳电子三极管f = 0.33 nmf = 1 nm门电极源 极漏 极2001年7月6日出版的美国科学周刊报道，荷 兰研究人员制造出的这种晶体管是首个能在室温下 有效工作的单电子纳米碳管晶体管。他们使用一个 单独的纳米碳管为原材料，利用原子作用力显微镜 的尖端在碳管里制造带扣状的锐利弯曲，这些带扣 的作用如同屏障，它只允许单独的电子在一定电压 下通过。用此方法制造的纳米碳管单电子晶体管只有1纳 米宽、20纳米长，整体不足人的头发丝直径的500分 一。 纳米碳管晶体管只需一个电子就可实现开关状态 Nanotransistors from C
16、NTs 纳米碳管的细尖极易发射电子，用于做电子枪和显示器单个碳纳米管的场发射天津理工大学纳米材料与技术研究中心碳纳米管FET显示Field-effect transistor based on a single 1.6 nm diameter carbon nanotube天津理工大学纳米材料与技术研究中心Carbon NanotubeEmission Emitters generate electrons when a small voltage is applied to both row (base layer) and column (top layer). 用纳米碳管制成的的场发射显示面板A display panel only 2.4 nm thick单根纳米线电驱动激光器 (Single-nanowire Electrically
