Проблемы наноэлектроники (одноэлектроники)

В этой главе мы рассмотрим основные проблемы и теоретические основы полупроводниковой нанотехнологии – совсем молодой отрасли, зародившейся в конце 80-х – начале 90-х годов.

Легко заметить, что название новой науки возникло в результате добавления к терминам “электроника” и “технология” приставки “нано”, означающей изменение масштаба в миллиард раз, т.е. 1 нанометр = 10^{-9 метров. Поэтому очевидно, что как человеческое воображение, так и используемые ранее физические модели и термины практически не способны корректно описывать мир со столь крошечными объектами. Рассмотрим характерные размеры объектов микромира в сравнении с наночастицей.}

Место наноразмерных объектов в окружающем мире

Таким образом, к нанотехнологиям принято относить процессы и объекты с диапазоном характерных размеров от 1 нм до 100 нм.

Из вышесказанного становится ясно, что нанотехнологии объединяют в себе все процессы, связанные непосредственно с атомами, электронами и молекулами. Именно поэтому данная отрасль науки является весьма перспективной для получения новых конструкционных материалов, полупроводниковых приборов принципиально нового поколения, устройств записи-хранения информации и т.д.

Характерные линейные размеры функциональных элементов современной микроэлектроники обычно составляют единицы или десятки микрометров. Указанные размеры являются пределом миниатюризации классических микроэлектронных приборов. В этой связи усилился интерес к приборам, которые могут обеспечить дальнейший прогресс электронных технологий. Уже первые результаты исследований показали, что поведение структур с размерами ≤100 нм качественно отличается от поведения тел с большими размерами, поскольку именно малость размеров хотя бы в одном измерении кардинально меняет физику поведения электронов, ярко проявляя свойства, присущие системам с пониженной размерностью.

Одним из возможных путей дальнейшего прогресса электронных приборов является создание устройств, в которых контролируются перемещение определённого количества электронов – в частности одного электрона. Очевидно, что это возможно только в устройствах, созданных на основе наноструктур или структур с пониженной размерностью. Вообще одноэлектронные приборы открывают заманчивые перспективы для цифровой техники, поскольку один бит информации будет представлен одним электроном. В таких приборах перемещение одного электрона происходит посредством туннелирования. Так как времена туннелирования электрона достаточно малы, то теоретически предел быстродействия одноэлектронных приборов очень высок. По оценкам основоположника одноэлектроники К.К.Лихарева теоретический предел быстродействия одноэлектронного прибора составляет сотни ТГц, а энергопотребление – всего 3×10⁻⁸ Вт. Комментарии о преимуществах таких устройств, как говорится, излишни.

Кроме того, следует заметить, что в отличие от ситуации с высокотемпературной сверхпроводимостью (где до сих пор неясно – имеет ли место это явление при комнатной температуре), одноэлектронные эффекты при комнатной температуре наблюдаются. Поэтому проблема заключается лишь в разработке и создании работоспособных приборов и устройств.