半导体纳米电子学  051M5113H

学期:2017—2018学年(春)第二学期 | 课程属性:专业普及课 | 任课教师:韩伟华,王晓东
授课时间: 星期一, 第5、6、7节
授课地点: 教1-417
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16
课程编号: 051M5113H 课时: 48 学分: 3.0
课程属性: 专业普及课 主讲教师:韩伟华,王晓东
英文名称: Semiconductor Nanoelectronics

教学目的、要求

本课程为电子科学与技术学科研究生的专业课。本课程紧密结合半导体纳米电子学最新研究成果,从介观物理现象出发,重点介绍纳米电子学的理论、纳米结构器件原理及其核心技术。讲述的纳米电子学原理及其关键技术广泛适用于各类半导体及其他信息功能材料的纳米结构器件的研发制造,包括电子器件、光电子器件、传感器件等。本课程能够帮助从事半导体器件、微纳功能器件等的研究者了解掌握各类纳米结构器件的工作原理、关键技术和发展方向。

预修课程

固体物理、量子力学

教 材

《纳米电子学基础》(美)George W. Hanson 著,科学出版社(ISBN 978-7-03- 034382-6),2012

主要内容

第一章 从微电子学到纳米电子学 (3学时)
随着光刻技术的快速发展,晶体管的从微米尺寸缩小的纳米尺寸,并即将达到其物理尺度的极限。本章将回顾晶体管的演变历程和光刻技术进步对微纳电子器件的推动,展望未来纳米电子学器件和电路的发展。
 
第二章 纳尺度空间中的介观现象(3学时)
当材料维度降低和结构特征尺寸减小,量子尺寸效应、量子隧穿效应、库仑阻塞效应、量子干涉效应等会表现得越来越明显。本章将重点讨论发生在介观尺度空间中的这些物理现象,为深入理解纳米电子器件奠定基础。

第三章 纳米结构电子态及其输运(3学时)
低维半导体结构中的电子运动受到空间局域而表现出量子效应。本章从自由粒子和受束缚粒子之间的区别出发,介绍德布罗意波长在受限小空间的作用、无限和有限势阱、费米能和化学势的概念,以及量子阱、量子线和量子点的概念,以及具有两端电子库单通道输运的朗道公式和量子化电导模型。

第四章 量子阱结构器件(3学时)
量子阱及超晶格结构是典型的异质结构,已经被广泛用于各类信息电子器件中。本章介绍典型量子阱器件如量子阱激光器等的结构类型、工作原理及性能参数等;并考察隧穿的含义与应用,重点介绍共振隧穿二极管等纳米电子学器件。
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第五章 量子线结构器件(3学时)
量子线是一种具有二维量子限制效应的纳米结构材料,具有优异的电子输运性质与光学性质,可用于各类高性能电子与光电子器件。本章介绍各类具有量子效应纳米线器件的原理及特性,包括场发射器件、场效应器件、传感器件、光电器件等。
 
第六章 量子点结构器件(3学时)
量子点由于其独特的光学及电学性能,近年来被广泛研究。本章介绍量子点的光学及电学特性,讲解量子点晶体管,单电子器件等典型纳米结构器件。

第七章 纳米线晶体管(3学时)
纳米线晶体管作为当今最具实用潜力的低功耗器件正在被关注。本章将主要讨论硅纳米线晶体管的工作原理、制备方案和电学性能,以及III-V族纳米线晶体管等新型器件的优势和发展潜力。

第八章 单原子器件(3学时)
单原子晶体管代表的是固态器件的最终尺度极限,由电离杂质原子作为量子点,杂质原子的数量、分布和电离能都会决定器件的性能。本章将结合国际最新研究动态,重点讨论基于硅纳米线晶体管中的杂质原子的电离、离化杂质诱导的量子点及其耦合、电荷的离域化及其量子输运行为。

第九章 纳米热电器件(3学时)
热电器件有望在芯片及系统的热调控方面发挥出越来越大的作用。随着纳米技术的发展,人们可以对各种热电材料进行不同维度的剪裁,由此产生了一系列新的效应,大大提高了热电器件的性能。本章从热电器件的原理出发,结合热电结构及器件最新国内外进展,讲解不同纳米材料及结构对热电性能的影响。

第十章 低维材料生长技术(3学时)
纳米半导体结构的制备方法多基于“自上而下”和“自下而上”两种方法。本章重点介绍气相法、溶液法、应变自组装等“自下而上”的低维材料生长技术。

第十一章 纳米图形生成技术(3学时)
纳米图形生成技术是“自上而下”构建纳米电子器件结构的核心工艺。本章将系统讨论纳米光学光刻、电子束光刻以及纳米压印等技术制备纳米结构器件的方法。

第十二章 纳米结构及器件表征技术(3学时)
介绍纳米结构及器件的常用测试表征手段,包括微观结构、电学、光学、热学性能表征等。
低维量子器件习题课(3学时)
纳米电子学基础习题课(3学时)
研究生自选报告、作业答疑(3学时)
考试(3学时)

参考文献

《纳米电子学》 杜磊、庄奕琪 著,电子工业出版社(ISBN 7-121-00447-X),2004
《半导体制造技术》 (美)M.Quirk等著,电子工业出版社 (ISBN 7-5053-9493-2), 2003
《固体物理学》 黄昆、韩汝琦,高等教育出版社 (ISBN 978-7-04-001025-1),1988