纳米电子学袁哲俊哈尔滨工业大学
2005年 4月纳米电子学
微电子技术 今后发展将受到的限制
量子电子器件
纳米电子器件的发展
单电子晶体管,单电子存储器,逻辑电路
分子电子学和分子电器件
原子电器件
纳米电器件的集成和量子计算机
微电子技术过去 30年的发展微米电子学的发展
1.1971年英特尔公司的 4004芯片，时钟速度仅为 108kHz，内含晶体管 2300个，最小线宽为 100μ m ；
2.1999年英特公司的 Pentium 3 芯片（奔腾 3芯片）,时钟速度已经高达 1GHz，在面积为 217mm2的芯片内,有晶体管 2800
万个，最小线宽为 0.18μ m。
3.最近 2001年 3月英特尔公司推出的 Pentium 4电脑的 时 钟速度已高达 1.7GHz，最小线宽 0.13μ m,在面积为 116mm2的芯片内,晶体管数超过 4200万个。片速度和集成度提高了
13000倍，线宽从 1971年的 10
4.计划十年内时钟速度达到 10 GHz,30年来计算机芯片速度和集成度提高了 13000倍，线宽从 1971年的 100μ m缩小到现在的 0.13μ m，芯片上的晶体管已达到 660万个 /cm2。
莫尔定律－
芯片的晶体管数与年代的关系芯片生产设备的投资与年代的关系不同年代的芯片集成度和价格功能电器件的尺度范围分界微电子晶体管和单电子晶体管纳米电子器件的发展途径构想量子电器件的主要特征
1)电子的平均自由程和器件的物理长度
2)量子比特 qubit
3)量子电导和量子电阻量子电器件的主要特征
4)库仑阻塞效应
5)量子隧穿效应
6)信号载流子中的孤子
7)电导涨落量子基础电元件
1)0维量子点 (ODQD)
2)一维量子线 (1DQW)
3)二维电子气 (2DEG) 也称二维量子阱
4)纳米单电子晶体管 (single electron transistor,
SET)；
5)量子阱共振隧穿二极管 )；
6)纵向库仑堵塞结构；
7)纳米单电子存储器，
8)分子级单电子逻辑电路等单电子晶体管单电子晶体管的中心岛大小对出现库仑阻赛现象的示意图纳米单电子晶体管实例纳米单电子晶体管实例单电子晶体管的实测特性曲线纳米尺度的单电子存储器纳米尺度的单电子存储器
C60中心岛的单电子晶体管基型碳纳米管中心岛的单电子晶体管基型横向碳纳米管晶体管碳纳米管晶体管特性曲线
IBM公司的碳纳米管分子逻辑电路倒 T形碳纳米管结构的分子三极管细碳纳米管 Φ0.33 nm(4,0),粗碳纳米管 Φ1.5 nm (11,11)
分子继电器模型示意图
Xe原子开关的工作原理原子继电器模型薄膜,T”形在存储元件结构示意图薄膜,T”存储器等效电路纳米芯片
Intel公司 2000年 12月公布，他们用最新纳米技术研制成功 30nm硅晶体管芯片。新芯片运算速度达 10GHz，是目前运算速度最快的 Pentium4芯片运算速度 2.4GHz的 4倍 。
Intel公司 2001年又宣布又研制成功 20 nm硅晶体管芯片，
其中门的绝缘体只有 0.8nm厚 (约三个原子的厚度 )，每秒开关变换次数极高。基于这种 20 nm硅晶体管，可以制造含 10亿个晶体管的硅晶体管芯片和计算机微处理器，其运行速度可高达 20GHz，比 2000年研制成功 30 nm硅晶体管芯片，性能又提高很多。
Intel公司的一位工程师说，这种超小型新硅晶体管的研制成功,,使我们对硅的物理极限有了新的看法，硅也许还可以使用 15年，今后用什么材料代替硅，那是谁也说不准的事。
量子计算机
1)量子计算机的信息单位,量子比特 qubit”
2)量子计算机的信号载流子
3)信息存储量要大得多
4)计算速度快
5)体积和功耗大幅度减小量子计算机的最新发展
2005年 4月纳米电子学
微电子技术 今后发展将受到的限制
量子电子器件
纳米电子器件的发展
单电子晶体管,单电子存储器,逻辑电路
分子电子学和分子电器件
原子电器件
纳米电器件的集成和量子计算机
微电子技术过去 30年的发展微米电子学的发展
1.1971年英特尔公司的 4004芯片，时钟速度仅为 108kHz，内含晶体管 2300个，最小线宽为 100μ m ；
2.1999年英特公司的 Pentium 3 芯片（奔腾 3芯片）,时钟速度已经高达 1GHz，在面积为 217mm2的芯片内,有晶体管 2800
万个，最小线宽为 0.18μ m。
3.最近 2001年 3月英特尔公司推出的 Pentium 4电脑的 时 钟速度已高达 1.7GHz，最小线宽 0.13μ m,在面积为 116mm2的芯片内,晶体管数超过 4200万个。片速度和集成度提高了
13000倍，线宽从 1971年的 10
4.计划十年内时钟速度达到 10 GHz,30年来计算机芯片速度和集成度提高了 13000倍，线宽从 1971年的 100μ m缩小到现在的 0.13μ m，芯片上的晶体管已达到 660万个 /cm2。
莫尔定律－
芯片的晶体管数与年代的关系芯片生产设备的投资与年代的关系不同年代的芯片集成度和价格功能电器件的尺度范围分界微电子晶体管和单电子晶体管纳米电子器件的发展途径构想量子电器件的主要特征
1)电子的平均自由程和器件的物理长度
2)量子比特 qubit
3)量子电导和量子电阻量子电器件的主要特征
4)库仑阻塞效应
5)量子隧穿效应
6)信号载流子中的孤子
7)电导涨落量子基础电元件
1)0维量子点 (ODQD)
2)一维量子线 (1DQW)
3)二维电子气 (2DEG) 也称二维量子阱
4)纳米单电子晶体管 (single electron transistor,
SET)；
5)量子阱共振隧穿二极管 )；
6)纵向库仑堵塞结构；
7)纳米单电子存储器，
8)分子级单电子逻辑电路等单电子晶体管单电子晶体管的中心岛大小对出现库仑阻赛现象的示意图纳米单电子晶体管实例纳米单电子晶体管实例单电子晶体管的实测特性曲线纳米尺度的单电子存储器纳米尺度的单电子存储器
C60中心岛的单电子晶体管基型碳纳米管中心岛的单电子晶体管基型横向碳纳米管晶体管碳纳米管晶体管特性曲线
IBM公司的碳纳米管分子逻辑电路倒 T形碳纳米管结构的分子三极管细碳纳米管 Φ0.33 nm(4,0),粗碳纳米管 Φ1.5 nm (11,11)
分子继电器模型示意图
Xe原子开关的工作原理原子继电器模型薄膜,T”形在存储元件结构示意图薄膜,T”存储器等效电路纳米芯片
Intel公司 2000年 12月公布，他们用最新纳米技术研制成功 30nm硅晶体管芯片。新芯片运算速度达 10GHz，是目前运算速度最快的 Pentium4芯片运算速度 2.4GHz的 4倍 。
Intel公司 2001年又宣布又研制成功 20 nm硅晶体管芯片，
其中门的绝缘体只有 0.8nm厚 (约三个原子的厚度 )，每秒开关变换次数极高。基于这种 20 nm硅晶体管，可以制造含 10亿个晶体管的硅晶体管芯片和计算机微处理器，其运行速度可高达 20GHz，比 2000年研制成功 30 nm硅晶体管芯片，性能又提高很多。
Intel公司的一位工程师说，这种超小型新硅晶体管的研制成功,,使我们对硅的物理极限有了新的看法，硅也许还可以使用 15年，今后用什么材料代替硅，那是谁也说不准的事。
量子计算机
1)量子计算机的信息单位,量子比特 qubit”
2)量子计算机的信号载流子
3)信息存储量要大得多
4)计算速度快
5)体积和功耗大幅度减小量子计算机的最新发展
