Mavzu: Nanoelektronika asboblari

Mavzu: Nanoelektronika asboblari

Nanoelektronika asboblari

Elektron qurilm alar 1958-yilda mikroelektron integral ko‘rinishda- 

IM Slar ko‘rinishida yaratilgandan boshlab m ikroelektronika davri 

boshlandi. Bunda «mikro» qo‘shimchasi tranzistorlar oMchamlari 

sezilarli darajada kichiklashganini anglatar edi. A slida esa IM Slar 

mikroolam obyektlari - atom va m olekulalarga nisbatan «makro- 

asbob»ligicha qolaverdi.

M ikrosxemalami ikkita afzalligi: narxi arzonligi va yuqori tezkor- 

likka egaligi bor edi. Ikkala afzallik ham m iniatyurizatsiya (oMchamlami 

kichiklashtirish) natijasi edi. M ikroelektronikaning keyingi rivoji 

tranzistorlar oich am larin i uzluksiz kichiklashuvi bilan bogMiq.

1999-yildan boshlab fazoviy koordinatalam ing biri bo‘ylab 

tranzistom ing oMchami bir necha o ‘n nm ga (1 nm =10'9 m) kamaydi, 

y a’ni mikroelektronika o ‘m iga nanoelektronika keldi. T a’riflam ing 

bittasiga m uvofiq 

nanoelektronika

oMchamlari 0,1-^100 nm gacha 

boMgan yarimoMkazgich tuzilm alar elektronikasidir.

M ikro va nanoelektronika asboblarida axborot signallar va 

energiyani o ‘zgartirish jarayonlari elektronlar harakati hisobiga yoki 

ulam ing bevosita qatnashishi hisobiga am alga oshadi. M a’lumki, 

elektronlar va boshqa m ikrozarrachalar harakati nazariyasi boMib kvant 

mexanikasi xizm at qiladi. K vant mexanikasi qonunlariga muvofiq 

elektron zarracha boMaturib, toMqinga o ‘xshaydi. Lekin m ikroelektro­

nika asboblarda elektronning toMqin tabiatidan kelib chiqadigan kvant 

effektlar shunchalik kichikki, elektronning harakati klassik m exanika 

qonunlari chegarasida ifodalanadi.

Elektronlam ing toMqin tabiatidan kelib chiquvchi fizik hodisalar 

o ‘zlarini nanoelektronika asboblarida toMiq nam oyon etadi. Bunday 

hodisalarga oMchamli kvantlash, elektron toMqinlar interferensiyasi, 

potensial to ‘siqlar (baryerlar) orqali tunnellashuv kiradi. K vant mexani- 

kasiga muvofiq s tezlik bilan harakatlanayotgan 

m

massali zarrachalar 

bilan 

de Broyl to ilqinlari

tarqalishi bogMiq. De Broyl toMqinlarining 

uzunligi quyidagi form ula yordam ida topiladi:

Masalan, bir volt tezlatuvchi potensial ta ’sirida boMgan elektron 

toMqin uzunligi 12,25-1 O'8 sm li toMqin bilan xarakterlanadi. Elektron

352tezligi qanchalik katta bo‘lsa, uni xarakterlovchi toMqin shunchalik 

kichik boMadi. Elektron harakatlanishi davom ida kristall panjara bilan 

to ‘qnashadi. T o‘qnashishlar orasidagi r 0 vaqt davom ida u toMqin 

uzunligi Ax = 5r0 boMgan de Broyl toMqinlarini uzluksiz tarqatadi (13.6- 

rasm).

Bu yerda, 5 - elektronning o ‘rtacha tezligi. O datda Ax oraliqda bir 

necha o ‘n 

X

yotadi. Shuning uchun zarra koordinatasi Ax aniqlikda 

topilishi m umkin (Geyzenberg noaniqligi). Bunda uning berilgan joyda 

aniqlanish ehtimolligi haqidagina so‘z yuritish mumkin.

z JC13.6-rasm. Uzilgan sinusoida.

Elem entar zarrachalar harakatining toMqin nazariyasini E. Shredin- 

ger yaratdi. Ushbu nazariyaga muvofiq bir oMchamli holatda 

W

energi- 

yali m ikrozarrachaning 

U

potensial energiyali maydondagi harakati 

Shredinger tenglamasi bilan ifodalanadi

f ! £ +£ S V - u v = o .

(13.2)

d x 

ti

Bu yerda, 

U -

koordinatalar va vaqtga bogMiq funksiya, u teskari 

ishora bilan olingan kuchlanganlik maydoni potensialiga teng, 

W

- zarrachaning toMiq energiyasi. Shredinger tenglamasi psi - funksiyani, 

y a’ni alohida olingan elektron fazoning turli nuqtalarida boMish 

ehtim olligini aniqlash imkonini beradi. Psi - funksiya nanoelement- 

lam ing asosiy xarakteristikasidir. U bogMangan tizimlar, y a’ni zarracha- 

lari m a’lum chegaradan chiqmaydigan (atomdagi yoki kristalldagi 

elektronlar) tizim lam ing statsionar holati haqida toMiq m a’lumotga ega. 

M asalan, (13.2) tenglam a va psi - funksiyaga qo‘yiladigan shartlardan 

energiyaning kvantlanish qoidalari bevosita kelib chiqadi. BogMangan 

tizim lam ing statsionar holati faqat 

Wt

energiyalam ing m a’lum 

qiym atlaridagina m xsat etilar ekan. Ruxsat etilgan 

Wj

energiyalar

353to ‘plami uzlukli (kvantlangan) spektr hosil qiladi. Q attiq jism da ruxsat 

etilgan energiyalam ing ikkita zonasi - o ‘tkazuvchanlik va valent 

zonalarini esga oling.

Qattiq jism da 

harakatlanayotgan 

elektron 

qanday diskret 

qiym atlarga ega bo‘lishi mumkinligini ko‘rib chiqamiz. M a’lumki, 

elektronlar oddiy sharoitda kristalldan chiqib ketolmaydi. Demak, 

elektronlar potensial chuqurda joylashgan va ular harakati kristall 

oMchamlari bilan 

lokallashgan

(chegaralangan). Soddalashtirish uchun 

chuqurlik cheksiz baland va tik potensial to ‘siqlar bilan chegaralangan, 

elektron esa faqat Ox o ‘q bo‘ylab harakatlanishi mumkin deb qaraymiz 

(13.7-rasm). 0

chegaradan chiqa olmaydi. Elektronning bunday harakati bir oMchamli 

potensial chuqurdagi harakat yoki 

kvant chuqurlikdag\

harakat deb 

atalishi qabul qilingan.

Bunda ikkita shart baj an lishi kerak. Birinchidan, potensial chuqurlar

356kengligi elektronlarning erkin yugurish yo‘lidan kichik bo‘lm og‘i, lekin 

kristall panjara doim iysidan katta bo‘lm og‘i kerak. Ikkinchidan, bir 

potensial chuqum ing asosiy holati keyingisining uyg‘otilgan holati bilan 

bir xil b o im o g ‘i kerak. Ushbu efFekt de Broyl to‘lqinlarining 

interferensiyasi bilan bog‘liq.

Kremniyli ntaydoniy nanotuzilmalar.

IM Slaming, shu jum ladan, 

m ikroprosessorlar va xotira m ikrosxem alarining asosiy aktiv elementi 

bo‘lib kremniyli M D Y a - tranzistorlar xizmat qiladi. M DYa -

tranzistorlar «dielektrik sirtiga kremniy olish» (DSKO) texnologiyasi 

bo‘yicha tayyorlanadi. Bunda tuzilm aning mexanik mustahkamligini 

ta ’m inlovchi, yetarlicha qalin kremniyli asos sirtiga kislorod ionlari 

im plantatsiya qilinadi, natijada sirtdan m a ’lum chuqurlikkacha kirib 

borgan ionlar chuqurlashgan dielektrik qatlamni hosil qiladi. Shundan 

keyin m olekular - nurli epitaksiya (M NE) yordamida asosning 

dielektrikli 

tom oni sirtiga berilgan 

o ‘tkazuvchanlik turiga ega 

yarim o‘tkazgichning kristall tuzilishli mukammal monokristall qatlami 

o ‘stiriladi. M NE qalinligi bir necha kristall panjara davri qalinligiga ega 

qatlam olish imkonini beradi (bir davr 2A ga yaqin). M onokristall 

qatlam qalinligi N - tranzistor kanali qalinligi bilan aniqlanadi. Keyin 

yuqori ajratuvchanlikka ega litografiya yordam ida nanotranzistor kanali 

hosil qilinadi. Kanal S i0 2 sirtida joylashgan qalin brusok shakliga ega 

boMadi. D ielektrik qatlam yupqalashtirilgani sababli u orqali oquvchi 

sizilish toki (tunnel tok) tranzistorlam i mikrominiatyurlashda katta 

to ‘siq bo‘lib turibdi. Am aliy natijalar bilan tasdiqlangan nazariy 

baholashlam ing ko‘rsatishiga qaraganda, kremiyli M D Y a - tranzistor 

kanali uzunligi 6 nm gacha, S i0 2 qatlam qalinligi 1,2 nm gacha 

kam aytirilganda «ochiq-berk» holatlar toklari nisbatini 108 tartibda 

saqlangan holda xarakteristikaning yuqori tikligiga ega bo‘ladi. S i0 2 

qatlam qalinligi yana ham yupqalashtirilganda sizilish toki ortib ketishi 

hisobiga tranzistom i boshqarish imkoniyati yo‘qoladi.

Noqulay holatdan qutilish uchun dielektrik singdiruvchanligi 

yuqoriroq (high- к ) boshqa dielektrikdan foydalanish zam r bo‘ladi. 

Bunday material sifatida A120 3, Z r 0 2, Н Ю 2 va boshqalar xizmat qildi. 

N atijada sizilish tokini o ‘n martadan ortiqroq kam aytirishga erishildi. 

Yangi dielektrik nanotranzistorlarda 2007-yildan qoMlanila boshladi. 

Ushbu yutuqni G. M ur «60-yillardan buyon tranzistorlar texnologiyasida 

eng m uhim o‘zgarish» deb atadi.

Lekin yangi dielektrik polikremniyli zatvor bilan «chiqishmadi». 

Bu yuqori tezkorlikka erishishga qarshilik qildi. Shuning uchun zatvor

357materialini ham o ‘zgartirishga to ‘g ‘ri keldi. Bu m aterial tarkibi 

hozirgacha Intel korporatsiyasi tom onidan sir saqlanib kelinm oqda. 

Zatvor uzunligi 20 nmni tashkil etuvchi yangi tranzistor ochilishi va 

berkilishi uchun 30 

%

kam energiya talab etiladi, m ikroprosessorlar esa 

109 ta atrofidagi tranzistorlarga ega va 20 Gs chastotada 1 Vdan kichik 

kuchlanishlarda ishlaydi. DSKO texnologiya AM D v a Intel kom pa- 

niyalari tomonidan yoppasiga ishlab chiqarilayotgan zam onaviy Pentium

va Athlon seriyali m ikroprosessorlarda qoMlanilmoqda.

Zam onaviy kremniyli M D Y a - nanotranzistorlar konstruksiyasi 

standart M DYa - m ikrotranzistorlardan zatvor turi bilan ham farq qiladi. 

Zatvorlam ing asosiy turlari: a) bir zatvorli planar; b) ikki zatvorli «baliq 

suzgichli» (adabiyotlarda FitFET deb nomlanadi); d) uch zatvorli.

DSKO texnologiya asosida yaratilgan kremniyli uch zatvorli 

nanotranzistor konstruksiyasi 13.10-rasmda ko‘rsatilgan. Kanal uch 

tom ondan zatvorosti dielektrik qatlam bilan o ‘ralgan. U ning nomi 

shundan kelib chiqadi.

Shunday qilib, kremniyli M D Y a - tranzistorlar tezkorligi zatvor 

materiali va zatvorosti dielektrik turi o ‘zgartirilgandan keyin kanal 

uzunligini kam aytirish hisobiga oshiriladi.

M DYa - tranzistorlam ing tezkorligi uning xarakteristika tikligi 

Y arim o‘tkazgich geterotuzilm alar eng yuqori chastotali tranzistorlar, lazerlar ham da inegral sxem alar (chiplar) yaratishning asosi 

bo‘ldilar. G eteroo‘tish deb taqiqlangan zonalari kengligi bir-birinikidan farq qiluvchi yarim o‘tkazgichlar hosil qilgan o ‘tishlarga aytiladi. Geteroo ‘tishlar m onokristall va polikristall m ateriallar orasida hosil qilinishi mumkin. Ular, shuningdek, anizotip 

(13.9) va (13.10) formulalardan m aydoniy tranzistor tezkorligi 

kanalni kichik effektiv m assali zaryad tashuvchilarga ega bo‘lgan 

m aterialdan hosil qilib yoki legirlovchi kiritm alar konsentratsiyasini 

kam aytirib (kiritm alar ionlarida sochilishni butunlay y o ‘qotib) oshirish 

mumkin. Buni geteroo‘tishli nanotuzilm alarda am alga oshirish qulay.Geterotuzilmalar asosidagi maydoniy tranzistorlar.

характеристика квантовой системы. Она содержит полную информацию об электронах или других частицах в атоме,

молекуле, кристалле.

Необходимо рассмотреть одно из проявлений чисто квантовой природы

электрона. Известно, что волны различной физической природы, возбуждаемые в ограниченном

объеме, имеют строго определенную длину волны и частоту. В том случае, когда

движение электрона происходит 0 0 1 Fв огра ниченной области, его энергия имеет строг

http://fayllar.org