纳米电子学及其应用技术详解
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纳米电子学
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纳米电子学
正如微米科学和技术的核心是微电子学一样，纳米科学和技术的核心是 纳米电子学。
从人类传统概念自上而下的制造观而 言，纳米电子学是微电子学继续向微 小世界、更微小世界不断发展的自然 延伸； 而从著名物理学家费曼的自下而上的 单个组装观而言，它又是在全新概念 上用单个原子和单个分子构建量子结 构、量子器件、量子电路和量子系统 的新领域。
由 MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而由pMOS管和 nMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为 CMOS-IC （ Complementary MOS Integrated Circuit）。
进入纳米尺度以后，我们把相应的器件和电路归入纳米电子学，但此 时的物理学基础是经典物理学和量子物理学并存的，器件的工作机制 是由一个或少数几个粒子的行为来描述的。在纳米尺度内，半经典器 件和半经典电路、量子器件和量子电路同时存在。
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1. 理论基础
二、纳米器件和电路
纳米电子学的物理学基础是经典物理学和量子物理学并存，半经典器 件和半经典电路、量子器件和量子电路同时存在。器件的工作机制由 一个或少数几个粒子的行为来描述。
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一、纳米电子学的基本内涵
纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学，因为它是微电子学 发展的下一代。 纳米电子学来自电子工业，是纳米技术发展的一个主要动力。
1. 基本概念
纳米电子学是研究在特征长度为0.1-100nm的纳米结构内单个电子或电 子波表现出来的特征和功能，并利用这些性质制备用于信息的产生、 传递和交换的器件、电路和系统的学科。
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一、纳米电子学的基本内涵
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一、纳米电子学的基本内涵
纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学，因为它是微电子学 发展的下一代。 纳米电子学来自电子工业，是纳米技术发展的一个主要动力。
3. 研究内容和意义
纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，是纳米技术发展的主要动力。
它立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的概念来构 造电子系统。它将突破传统的极限，开发物质潜在的信息和结构潜力， 使单位体积物质的信息存储和处理能力提高百万倍以上，实现信息采 集与处理能力的革命性突破。
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二、纳米器件和电路
2. 纳米器件与电路的分类
① 纳米CMOS器件 由于性能、价格比的绝对优越地位，同时存在纳型化的潜力，从工业 化的角度来看，纳米硅CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 器件和电路仍是21世纪初的主流器件和电路。
金属-氧化物-半导体（MetalOxide-Semiconductor）结构的 晶体管简称MOS晶体管，有p 型MOS管和n型MOS管之分。
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第十八章 纳米电子学
正如微米科学和技术的核心是微电子学一样，纳米科学和技术的核心是 纳米电子学。
迄今为止，作为电子器件只利用了电子波粒二象性的粒子性，其次，各 种传统电子元器件都是通过控制电子数量来实现信号处理的。随着集成 度的提高，功耗、速度成为严重的问题。现有的硅和砷化镓器件无论怎 样改进，其响应速度最高只能达到10-12秒，功耗最低只能降低到1W 。
纳米电子学在信息科学技术、纳米生物学、纳米测量学、纳米显微学 及纳米机械学等学科中有广泛的应用，也称为量子功能电子学。
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一、纳米电子学的基本内涵
纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学，因为它是微电子学 发展的下一代。 纳米电子学来自电子工业，是纳米技术发展的一个主要动力。
2. 研究基础
物理学、化学、生物学和工程学的深入发展为纳米电子学的创建提供 了坚实的基础。
其研究内容包括：基于量子效应的纳米电子器件，纳米结构的光/电性 质，纳米电子材料的表征，原子操纵和原子组装，等等。
纳米电子学将成为21世纪信息时代的核心。
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第十八章 纳米电子学
一、纳米电子学的基本内涵 二、纳米器件和电路 三、纳米电子学的应用
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二、纳米器件和电路
1. 理论基础
结构尺度表征了电子器件有源区的大小，它与物理学和电子学发展的 量子阶跃密切相关。 微电子学对应于器件的宏观结构（微米尺度），器件的工作机制由大 量微观粒子构成的统计系综来描述，所需要的物理学基础是经典物理 学：把电子视为由牛顿方程描述的经典粒子（半导体器件中电子的漂 移和扩散方程），把光看作由麦克斯韦方程描述的经典波动。
如：单电子器件在本质上是一种量子隧穿行为，即电子波的隧道过程。 但是当我们利用这个概念求得量子隧道电导（或结电阻）以后，在相 当大的范围内，对单电子器件和电路的行为几乎可用以电容模型为基 础的半经典理论来描述。
半经典模型或理论在纳米电子学的研究中有着广泛而有效的应用。
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二、纳米器件和电路
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二、纳米器件和电路
利用电子的量子效应原理制作的器件称为量子器件或纳米器件，也叫单 电子晶体管。在量子器件中，只要控制一个电子的行为即可完成特定的 功能，即量子器件不单纯通过控制电子数目的多少，主要是通过控制电 子波动的相位来实现某种功能的。因此，量子器件具有更高的响应速度 和更低的功耗，从根本上解决日益严重的功耗问题。
➢ 探测、识别与控制单个量子（如单个电子、单个光子、单个磁通量 子、单个原子和单个分子等）、少数几个量子或量子波的运动规律；
➢ 研究在量子点（也称人造原子）、量子线和量子点阵内单个原子、 少数几个量子或量子波所表现的特征和功能；
➢ 研究原子、分子人工组装和自组装而成的器件； ➢ 研制信息的产生、传递、交换器件、电路和系统，并应用于信息科 学技术中。
由于器件尺度为纳米级，集成度大幅度提高，同时还由相信纳米电子学的发展， 必将在电子学领域中引起一次新的电子技术革命，从而把电子工业技术 推向一个更高的发展阶段。
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第十八章 纳米电子学
一、纳米电子学的基本内涵 二、纳米器件和电路 三、纳米电子学的应用
➢ 物理学：通过凝聚态物理中的金属、半导体、超导体和绝缘体不断 减小其维度而得二维、一维、零维介观结构 介观效应
➢ 化学：通过原子学、分子学、超分子结构学为纳米电子学提供基础
➢ 生物学：从自然系统到细胞、再到蛋白质的发展研究
➢ 工程学：通过不断创新、改进微米、纳米尺度加工技术中所用的精 密仪器、仪表、设备为纳电子学的发展提供测控和制造工具
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纳米电子学
正如微米科学和技术的核心是微电子学一样，纳米科学和技术的核心是 纳米电子学。
从人类传统概念自上而下的制造观而 言，纳米电子学是微电子学继续向微 小世界、更微小世界不断发展的自然 延伸； 而从著名物理学家费曼的自下而上的 单个组装观而言，它又是在全新概念 上用单个原子和单个分子构建量子结 构、量子器件、量子电路和量子系统 的新领域。
由 MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而由pMOS管和 nMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为 CMOS-IC （ Complementary MOS Integrated Circuit）。
进入纳米尺度以后，我们把相应的器件和电路归入纳米电子学，但此 时的物理学基础是经典物理学和量子物理学并存的，器件的工作机制 是由一个或少数几个粒子的行为来描述的。在纳米尺度内，半经典器 件和半经典电路、量子器件和量子电路同时存在。
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1. 理论基础
二、纳米器件和电路
纳米电子学的物理学基础是经典物理学和量子物理学并存，半经典器 件和半经典电路、量子器件和量子电路同时存在。器件的工作机制由 一个或少数几个粒子的行为来描述。
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一、纳米电子学的基本内涵
纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学，因为它是微电子学 发展的下一代。 纳米电子学来自电子工业，是纳米技术发展的一个主要动力。
1. 基本概念
纳米电子学是研究在特征长度为0.1-100nm的纳米结构内单个电子或电 子波表现出来的特征和功能，并利用这些性质制备用于信息的产生、 传递和交换的器件、电路和系统的学科。
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一、纳米电子学的基本内涵
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一、纳米电子学的基本内涵
纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学，因为它是微电子学 发展的下一代。 纳米电子学来自电子工业，是纳米技术发展的一个主要动力。
3. 研究内容和意义
纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，是纳米技术发展的主要动力。
它立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的概念来构 造电子系统。它将突破传统的极限，开发物质潜在的信息和结构潜力， 使单位体积物质的信息存储和处理能力提高百万倍以上，实现信息采 集与处理能力的革命性突破。
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二、纳米器件和电路
2. 纳米器件与电路的分类
① 纳米CMOS器件 由于性能、价格比的绝对优越地位，同时存在纳型化的潜力，从工业 化的角度来看，纳米硅CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 器件和电路仍是21世纪初的主流器件和电路。
金属-氧化物-半导体（MetalOxide-Semiconductor）结构的 晶体管简称MOS晶体管，有p 型MOS管和n型MOS管之分。
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第十八章 纳米电子学
正如微米科学和技术的核心是微电子学一样，纳米科学和技术的核心是 纳米电子学。
迄今为止，作为电子器件只利用了电子波粒二象性的粒子性，其次，各 种传统电子元器件都是通过控制电子数量来实现信号处理的。随着集成 度的提高，功耗、速度成为严重的问题。现有的硅和砷化镓器件无论怎 样改进，其响应速度最高只能达到10-12秒，功耗最低只能降低到1W 。
纳米电子学在信息科学技术、纳米生物学、纳米测量学、纳米显微学 及纳米机械学等学科中有广泛的应用，也称为量子功能电子学。
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一、纳米电子学的基本内涵
纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学，因为它是微电子学 发展的下一代。 纳米电子学来自电子工业，是纳米技术发展的一个主要动力。
2. 研究基础
物理学、化学、生物学和工程学的深入发展为纳米电子学的创建提供 了坚实的基础。
其研究内容包括：基于量子效应的纳米电子器件，纳米结构的光/电性 质，纳米电子材料的表征，原子操纵和原子组装，等等。
纳米电子学将成为21世纪信息时代的核心。
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第十八章 纳米电子学
一、纳米电子学的基本内涵 二、纳米器件和电路 三、纳米电子学的应用
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二、纳米器件和电路
1. 理论基础
结构尺度表征了电子器件有源区的大小，它与物理学和电子学发展的 量子阶跃密切相关。 微电子学对应于器件的宏观结构（微米尺度），器件的工作机制由大 量微观粒子构成的统计系综来描述，所需要的物理学基础是经典物理 学：把电子视为由牛顿方程描述的经典粒子（半导体器件中电子的漂 移和扩散方程），把光看作由麦克斯韦方程描述的经典波动。
如：单电子器件在本质上是一种量子隧穿行为，即电子波的隧道过程。 但是当我们利用这个概念求得量子隧道电导（或结电阻）以后，在相 当大的范围内，对单电子器件和电路的行为几乎可用以电容模型为基 础的半经典理论来描述。
半经典模型或理论在纳米电子学的研究中有着广泛而有效的应用。
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二、纳米器件和电路
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二、纳米器件和电路
利用电子的量子效应原理制作的器件称为量子器件或纳米器件，也叫单 电子晶体管。在量子器件中，只要控制一个电子的行为即可完成特定的 功能，即量子器件不单纯通过控制电子数目的多少，主要是通过控制电 子波动的相位来实现某种功能的。因此，量子器件具有更高的响应速度 和更低的功耗，从根本上解决日益严重的功耗问题。
➢ 探测、识别与控制单个量子（如单个电子、单个光子、单个磁通量 子、单个原子和单个分子等）、少数几个量子或量子波的运动规律；
➢ 研究在量子点（也称人造原子）、量子线和量子点阵内单个原子、 少数几个量子或量子波所表现的特征和功能；
➢ 研究原子、分子人工组装和自组装而成的器件； ➢ 研制信息的产生、传递、交换器件、电路和系统，并应用于信息科 学技术中。
由于器件尺度为纳米级，集成度大幅度提高，同时还由相信纳米电子学的发展， 必将在电子学领域中引起一次新的电子技术革命，从而把电子工业技术 推向一个更高的发展阶段。
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第十八章 纳米电子学
一、纳米电子学的基本内涵 二、纳米器件和电路 三、纳米电子学的应用
➢ 物理学：通过凝聚态物理中的金属、半导体、超导体和绝缘体不断 减小其维度而得二维、一维、零维介观结构 介观效应
➢ 化学：通过原子学、分子学、超分子结构学为纳米电子学提供基础
➢ 生物学：从自然系统到细胞、再到蛋白质的发展研究
➢ 工程学：通过不断创新、改进微米、纳米尺度加工技术中所用的精 密仪器、仪表、设备为纳电子学的发展提供测控和制造工具