Туннельно-зондовые наноэлементы

В работе рассмотрены основные механизмы туннельного тока (прямое туннелирование, механизмы Фаулера-Нордгейма и Пула-Френкеля). Даются сравнительные оценки возможного влияния каждого тока на работу наноэлектронных устройств.

Цель работы – сравнение характеристик туннельного тока в сканирующем туннельном микроскопе (СТМ) и в современном нанотранзисторе.
В работе решаются задачи:
1) провести расчет зависимости туннельного тока СТМ от напряженности электри-ческого поля и от расстояния между иглой зонда и образцом;
2) рассчитать изменение силы тока СТМ при изменении ширины вакуумного барье-ра на один атомный слой;
3) проиллюстрировать графически скорость изменения силы тока СТМ в зависимо-сти от напряженности поля между иглой зонда и исследуемой поверхностью;
4) дать численную оценку плотности тока утечки в МДП-транзисторе для ряда зна-чений напряженности поля в слое диэлектрика;
5) проиллюстрировать графически скорость изменения плотности туннельного тока утечки в зависимости от напряженности поля в слое диэлектрика;
6) проиллюстрировать зависимость плотности туннельного тока от температуры.

При переходе к системам нанометрового масштаба квантовые эффекты (туннелирование, интерференция электронных состояний и др.) играют ключевую роль в функционировании приборов на их основе [1-4].

Размеры современных транзисторов составляют 100-30 нм. При современной степени интеграции на одном чипе размещаются несколько миллиардов транзисторов. Обратной их уменьшения, является заметный рост тока утечки затвора. Ток утечки, будучи умноженным на громадное число транзисторов на кристалле, заметно повышает энергопотребление и тепловыделение микросхемы. В современных чипах почти 40% энергии теряется из-за утечек.

В работе проводится сравнительный анализ туннельного тока в функционировании современных электронных устройств.

Изучение и анализ литературы, синтез – объединение в систему полученных данных, математическое моделирование и практический расчет в пакете прикладных программ Mathematica (версия 6.0.1.0, лицензия L-3243-1489)

В работе в квазиклассическом приближении проведен численный расчет и построены графики зависимости туннельного тока СТМ от напряженности поля и от ширины туннельного вакуумного барьера. С увеличением ширины барьера ток экспоненциально спадает. С увеличением напряженности ток возрастает по линейному закону.

Затем в работе проведен расчет туннельного тока утечки (механизмы Фаулера-Нордгейма и Пула-Френкеля) в современном МДП-транзисторе. Сравнительные численные оценки, проведенные в данной работе, показали:

• ток Пула-Френкеля дает малый вклад в токи утечки современных нанотранзисторов;
• в отличие от тока прямого туннелирования в СТМ, ток Фаулера-Нордгейма при фиксированном значении напряженности не зависит от толщины диэлектрика;
• с ростом напряженности электрического поля ток утечки Фаулера-Нордгейма резко возрастает, что негативно сказывается на работе устройств на основе МОП-транзисторов;
• с ростом температуры ток Пула-Френкеля, появление которого так же негативно влияет на работу транзистора, возрастает при меньших значениях напряженности.

 

1. А.А. Афонский, В.П. Дьяконов. Электронные измерения в нанотехнологиях и в микроэлектронике. М.: - ДМК Пресс, 2011. – 688 с.
2. Н.И. Минько, В.В. Строкова. Методы получения и свойства нанообъектов. М.: ФЛИНТА, 2013. – 165 с.
3. Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy: Theory, Techniques, and Applications Ed. Dawn Bonnell Wiley-VCH; 2 edition, 2000. – 493 с.
4. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. М.: Бином, 2005. – 134 с.
5. Mark Lundstrom, Jing Guo. Nanoscale Transistors. Springer, 2006. – 213 с.

The 3 types of tunneling were considered: direct, Fowler-Nordheim and Poole-Frenkel. The effects of these mechanisms on the work of nanoelectronic devices were compared.