МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Запорізький Національний Технічний Університет

 

 

 

Курс лекцій з дисципліни

 

 

“ФІЗИКА ТВЕРДОГО ТІЛА”

Для студентів спеціальності 8.090801

“Мікроелектроніка і напівпровідникові прилади”

 

 

 

 

 

Кількість годин: всього - 136, у тому числі:

лекцій – 34 годин

практичних занять - 34

лабораторних робіт - 68

Заняття проводяться в V семестрі. Форма звіту - іспит.

 

 

Укладач: доктор фіз.-мат.наук, професор  В.В. Погосов

 

Запоріжжя, 2001


          Короткий зміст лекційних занять

 

 
Вступ

Основні етапи розвитку фізики твердого тіла. Зв'язок дисципліни з іншими розділами фізики.

 

Тема 1. Елементи механіки Лагранжа

Узагальнені координати. Принцип Гамільтона. Рівняння Лагранжа. Закони збереження: енергії (однорідність часу), імпульсу (однорідність простору), моменту імпульсу (ізотропія простору).

 

Тема 2. Трансляційна симетрія кристалів

Кристалічна структура твердого тіла. Індекси Міллера. Елементарна комірка, вектори трансляції. Гратки Браве. Базис. Обернена гратка та її властивості. Теорема Блоха. Зони Бріллюена.

 

Тема 3. Дефекти в кристалах

Класифікація  точкових дефектів. Термодинаміка, міграція, самодифузія дефектів. Кластери дефектів. Радіаційні дефекти: каскад зіткнень, каналювання та фокусування зіткнень. Види дислокацій. Вектор Бюргерса. Густина дислокацій та їх пружна енергія.

 

Тема 4. Класифікація твердих тіл. Енергія зв'язку

Характер заповнення енергетичних зон. Металеві, іонні, ковалентні та молекулярні кристали. Потенціали міжатомної взаємодії. Енергія зв'язку кристалічної гратки.

 

Тема 5. Теплові властивості твердого тіла

Теплоємність кристалічної гратки. Теорії теплоємності: Дюлонга і Пті, Ейнштейна, Дебая. Теплове розширення твердих тіл.

 

Тема 6. Електронні стани в кристалах

Розв’язок рівняння Шредінгера для вільних електронів у твердому тілі. Наближення зонної теорії (Борна-Оппенгеймера, одноелектронне наближення). Число і густина станів в енергетичній зоні. Наближення сильного зв'язку. Невироджений і вироджений напівпровідники. Рівень Фермі, концентрація носіїв.  Ефективна маса електронів і дірок у напівпровідниках.

 

Тема 7. Кінетичні явища в металах і напівпровідниках

Класична та квантова теорії електропровідності.. Розсіювання носіїв заряду в металах і напівпровідниках. Розсіювання електронів, час релаксації. Закон Ома.  

 

Тема 8. Контактні явища

Робота виходу. Контакти. Припущення Шотткі. ВАХ контакту. Одноелектронні прилади.

 

Тема 9. Магнітні властивості кристалів

Магнітні моменти атомів. Намагніченість, магнітна проникність. Діамагнетики, парамагнетики, феромагнетики.


ВСТУП

 

СУЧАСНІ НАПРЯМКИ НАНОТЕХНОЛОГІЙ І НАНОЕЛЕКТРОНІКИ

 

Нанотехнологія для наноелектроніки – це технологія масового виробництва приладів і інтегральних схем з мінімальними розмірами елементів приладів (наприклад, довжини затвору транзистора ) в діапазоні від 100 до 1 нм.

Головне питання: чи має наноелектроніка у наступний час базу приладів і чи створена сьогоднішня нанотехнологія?

Аналіз сучасного стану бази приладів показує, що єдиним приладом наноелектроніки, який зберігає свої вимикаючі властивості аж до мінімальних розмірів 6¸10 нм, є кремнієвий польовий нанотранзистор з структурою МДН.

Для створення надвеликих інтегральних схем на основі нанотранзисторів, на думку міжнародних експертних груп, технологія (з мінімальною довжиною затвору 20 нм і в подальшому 10 нм) для масового виробництва буде готова приблизно до 2015 року. Щільність розміщення логічних вентилів типа КМОН на кристалі для таких схем досягне величини 108см-2, а розмір кристалу - 10¸15 см2 при щільності потужності, що розсіюється, 50¸100 Вт/см2 на робочих частотах переключення 10¸40 ГГц.

Масове виробництво таких схем стане можливим завдяки розвитку методів проекційної рентгенівської літографії в області екстремального ультрафіолету (λ=13 нм) і/або проекційної електронної та іонної літографії.

 

 

Нанолітографія (за допомогою атомного силового мікроскопу)

 

 

 

Значний науково-технічний наробіток в передових країнах по розвитку цих методів літографії вже створений.

Другий прилад, який був детально досліджений, - одноелектронний транзистор, ідея якого була висунута російськими вченими. Принципи роботи одно електронного транзистора детально вивчені. Вияснено, що комп’ютерні схеми на одноелектронних транзисторах мають серйозні недоліки, а саме:

1)      гранична швидкодія логічного вентиля на одноелектронних транзисторах не перевищить 1 ГГц через високий вихідний опір;

2)      для схем на одноелектронних транзисторах, що працюють при кімнатній температурі, необхідно освоєння технології створення на деяких підшарках квантових точок діаметром 1 нм з високою однорідністю, що поки не досягнуто, і, головне, поки не проглядаються реальні шляхи для створення такої технології;

3)      наявність випадкових заряджених домішок у підшарку призводить до зсувів граничних характеристик одноелектронного транзистора і, отже, відмов деяких ділянок схем поблизу зарядженого центру.

 

Таким чином, для діапазону мінімальних розмірів 10¸1 нм на теперішній час поки не запропоновано нанотехнології для масового виробництва приладів та інтегральних схем.

Об’єктами фундаментальних досліджень в області наноелектроніки є 1-мірні, 2-мірні (квантові дроти) і 0-мірні (квантові точки) структури. Мета досліджень – створення нових приладів наноелектроніки і методів їх масового виготовлення. В дослідження з нанотехнологій (не тільки для наноелектроніки) розвинуті країни вкладають великі кошти, наприклад, на 2001 р в США – 423 млн.дол.., Японії – 396 млн.дол.., в Германії – 26 млн.долл, і у Великобританії – 14 млн.дол.

Предметом пильної уваги учених став і інших діапазон мінімальних розмірів – субнанометровий (1¸0,1 нм), який вимагає технологій атомного масштабу. Цей напрямок може бути (по аналогії з наноелектронікою) названий пікоелектронікою. Елементарним перемикачем в пікоелектроніці стає окремий атом. Саме на окремих атомах можуть бути побудовані елементи майбутніх квантових суперкомп’ютерів. Найбільш привабливою є ідея створення твердотільного квантового суперкомп’ютера з новими можливостями вирішення цілого ряду найактуальніших обчислювальних задач, які не можна виконати на класичних суперкомп’ютерах. Багато ведучих університетів і компаній світу (наприклад, ІВМ) вже організували експериментальні роботи у цій області.

 

Мікро-  нано- і пікоелектроніка

 

Мікротехнологія

Нанотехнологія, нанотранзисторні інтегральні схеми

1 мкм

0,1 мкм

0,01 мкм

Транзисторні інтегральні схеми

Нанотехнологія®І

100 нм

10 нм

1 нм

 

Технологія масового виготовлення наноприладів відсутня

Пікоелектроніка ®І

100 Å

10 Å

1 Å

 

Вибір елементної бази квантових комп’ютерів

 

 

Наномеханіка:

 

 

                         

 

наномотор

 

 

 

 

 

 

Нанотрубки : сховище водню, емітери,..., медицина

 

                  

 

 

 

 

 

Фулерен  -  атомні кластери С60 (нова фаза вуглецю, Нобелівська премія за 1988 р.)

 

 

                                 

 

 

Нанооптика

 

 

 

 

Пам’ять на молекулах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пам’ять на квантових точках

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Наномайстерня за допомогою АСМ:

 

                  

 

 

 

 

 

 

 

Інформацію по сучасним технологіям можна знайти на сайті: http://perst.issph.kiae.ru  - інформаційний бюлетень Перст (перспективні технології: наноструктури, надпровідність, фулерени).

 

Основна та додаткова література

 

Основна:

 

1.       Блейкмор Дж. Физика твердого тела. М.; Мир,  1988.-608с.

2.       Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.; Наука, 1978.-792с.

3.       Епифанов Г.И. Физика твердого тела. М.; Высшая школа, 1965.-276с.

4.       Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела. (т.1,2.). М.: Мир.: 1979.

5.       Шалимова К.В. Физика полупроводников, М.; Энергоиздат, 1975.-275с

6.       Новиков  А.Н.  Теория прочности металлов, М.; Наука, 1978

 

Додаткова:

 

1.       Вонсовский С.В., Кацнельсон М.И. Квантовая физика твердого тела. М.: Наука , 1983.

2.       Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1977.

3.       Зеегер К. Физика полупроводников. М.: Мир.: 1979.

4.       Ридли Б. Квантовые процеси в полупроводниках. М.: Мир, 1986.

5.       Штремель М.А. Прочность сплавов. Дефекты решетки. М. Металлургия, 1982.