Государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования Московской области

«Международный университет природы, общества и человека «Дубна»

(университет «Дубна»)

Факультет естественных и инженерных наук

Кафедра нанотехнологий и новых материалов

_

УТВЕРЖДАЮ

проректор по учебной работе С.В. Моржухина «_»_20_ г.

Программа дисциплины

! ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

011200.68 Физика Магистерская программа Физика наноструктур и наноматериалов Квалификация (степень) выпускника магистр Форма обучения очная г. Дубна, 1. Цели и задачи освоения дисциплины Целью курса изучение основных особенностей протекания электрического тока через структуры наноскопического масштаба.

Задачи курса:

иметь представление о состоянии современной электронной технологии;

1.

иметь представление о направлениях развития электронной технологии 2.

знать основные задачи наноэлектроники;

3.

знать классификацию режимов протекания тока и классификацию наноэлектронных устройств;

5. изучить основные теоретические подходы наноэлектроники;

6. научить применять известные теоретические модели для первичного анализа закономерностей протекания тока через наноструктуры и наноконтакты;

2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата Дисциплина «Основы наноэлектроники» относится к разделу «Вариативная часть»

(М1.В) учебного цикла М1 «Общенаучный цикл» учебного плана ООП подготовки магистров по направлению 011200 «Физика» по Магистерская программе «Физика наноструктур и наноматериалов» и читается во 2 семестре.

Изучению дисциплины «Основы наноэлектроники» предшествует изучение студентами курсов «Основы топологии», «Дифракционный структурный анализ», «Квантовая физика твердого тела», «Методы характеризиции наноструктур».

Приступая к изучению дисциплины, студенты должны:

знать основы физики конденсированного состояния;

знать основы квантовой механики;

иметь представление о технике расчетов электронной структуры нанообъектов ;

владеть основами теории вероятности.

Полученные знания могут быть использованы студентами при выполнении исследований в рамках курсовых проектов и выпускной квалификационной работы, а также при решении научно-исследовательских и прикладных задач в будущей профессиональной деятельности.

3. Требования к результатам освоения содержания дисциплины В результате освоения дисциплины студент должен Знать:

историю развития электроники вплоть до современного состояния;

классификацию наноэлектронных устройств;

классификацию режимов протекания тока;

современные методы расчета вольт-амерных характеристик электронных устройств.

Уметь:

анализировать режим работы наноэлектронных устройств;

проводить расчет вольт-амперных характеристик при известных структурах контактов и канала;

классифицировать наноэлектронные устройства.

Демонстрировать способность и готовность:

использовать естественнонаучные знания в профессиональной деятельности (ОК-18);

к прогнозированию изменений и динамики уровня развития и функционирования познавательной и мотивационно-волевой сферы, самосознания, психомоторики, способностей характера, темперамента, функциональных состояний, личностных черт и акцентуаций в норме и при психических отклонениях (ПК-7);

к пониманию и постановке профессиональных задач в области научноисследовательской и практической деятельности (ПК-10).

4. Содержание и структура дисциплины Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единицы, 180 часов, из них 68 часов аудиторной нагрузки.

4.1 Содержание разделов дисциплины № Форма Наименование раз- Содержание раздела текущего раздела дела контроля История развития Современная электроника, ставшая неэлектроники. От изо- отъемлемой частью жизни любого совребретения первого менного человека, имеет давнюю историю транзистора до совре- начало которой было положено открытием опрос на менной планарной эффекта повышения проводимости с ростом кремниевой техноло- температуры в некоторых твердых телах гии. (Майкл Фарадей 1833 г.). Данный раздел посвящен основным вехам развития этой области естественнонаучных знаний.

Принципы работы би- Типы носителей заряда в твердом теле.

полярного транзисто- Донорные/акцепторные полупроводники. p-n ра. Принципы работы переход, полупроводниковый диод. p-n-p/n- опрос на полевого транзистора. p-n биполярный транзистор. Полевой тран- семинаре Закон Мура (анти за- Историческая динамика миниатюризакон Мура), естествен- ции электронных приборов. Естественные ный физический пре- физические ограничения миниатюризации.

дел развития электро- Прогноз предела развития кремниевой техники. нологии.

Представление о мо- Сканирующая туннельная микроскопия, лекулярной электро- туннельные контакты, нанощель, молекусеминаре Введение в теорию Молекулярная электроника как предмет для квантового транспор- междисциплинарных исследований. Подход дробный шум. Фактор Фано. Модель резонансного туннелирования. Прохождение через двухбарьерную структуру. Темп туннеФорма лирования. Формула Брейта-Вигнера, интерферометр Фабри-Перо. Влияние температуры. Различные экстремальные случаи.

Модель туннельного Формализм туннельного гамильтониана. Зогамильтониана лотое правило Ферми. Расчет матричного Модель последова- Формализм уравнений кинетического тельного туннелиро- баланса. Примеры расчетов: 3D-0D-3D Метод функций Грина Формализм матричных функций Грина. Гамильтониан сильной связи. Собственно энергетическая функция. Уравнение Дайсона для поверхностной функции Грина, вычисление собственно-энергетической функции. опрос на Элементы теории ли- Функция Грина физической системы.

нейной реакции Функция Грина дифференциального уравнения. Операторный метод решения диф. уравопрос на Задача об осцилляторе под действием внешней силы. Принцип причинности: соотношение Крамерса-Кронига Приближение сильной Вычисление матричных элементов: p и s орсвязи в моделях элек- битали, и сигма связи. Угловая зависиопрос на тронного транспорта мость матричного элемента. Приложение к задачам сканирующей электронной микроскопии. Формула Терсова-Хаманна.

Кулоновская блокада Ортодоксальная теория кулоновской Проникновение поля Эффект проникновения поля в металлы и Физические основы Физические основы ab initio методов.

Многочастичные эф- Учет эффектов неупругого рассеяния в конфекты тактах. Учет эффектов, связанных с молеку- опрос на Спиновые эффекты Эффект гигантского магнитосопротивления.

5. Образовательные технологии В учебном процессе, помимо чтения лекций, которые составляют 50% аудиторных занятий, широко используются активные и интерактивные формы обучения. В сочетании с внеаудиторной работой это способствует формированию и развитию профессиональных навыков обучающихся.

Перечень обязательных видов работы студента:

ответы на теоретические вопросы на семинаре;

выполнение практических заданий на семинарах;

6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации Вопросы, выносимые на экзамен:

1. Основные этапы развития микроэлектроники. Наноэлектроника как перспектива прогресса микроэлектроники.

2. Основные этапы процесса создания интегральной микросхемы.

3. Классификация транзисторов. Принципы работы полевого транзистора.

4. Классификация транзисторов. Принципы работы биполярного транзистора.

5. Подход Ландауэра. Формула Ландауэра. Многоканальный случай - формула Буттикера. Пример расчета.

6. Природа квантового шума. Фактор Фано.

7. Метод туннельного гамильтониана.

8. Резонансное туннелирование - двухбарьерный случай. Формула Брейта-Вигнера.

9. Закон сохранения поперечного квазиимпульса.

10. Расчет матричных элементов. Формула Бардина.

11. Формула Бардина. Приближение сильной связи. s-s, p-s и p-p матричные элементы.

12. Туннелирование в ВКБ-приближении. Формула Харрисона.

13. Туннелирование в приближении сильной связи, T-образный контакт.

14. Основная формула сканирующей туннельной микроскопии (Терсова-Хаммана).

15. Последовательное туннелирование. Метод уравнений кинетического баланса 16. Кулоновская блокада.

17. Метод функций Грина при расчете квантового транспорта.

18. Расчет поверхностной функции Грина 19. Основные режимы туннельного транспорта.

20. 2D-2D туннелирование. Роль времени свободного пробега электрона внутри контакта на вольт-амперную характеристику.

21. Роль спина в электронном транспорте.

22. Роль температуры и неупругого рассеяния в квантовом транспотре.

23. Примеры наноэлектронных устройств.

7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины 1. Неволин В.К. Квантовый транспорт в устройствах электроники / Неволин В.К. - :

Техносфера, 2012. - ISBN 978-5-94836-314-1.

2. Борисенко В.Е. Наноэлектроника: Учебное пособие для вузов / Борисенков Виктор Евгеньевич, Воробьева Алла Ильинична, Уткина Елена Апполинарьевна. - М.:

БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. - 223с.: ил. - (Нанотехнология). - Лит. - ISBN 978-5-94774-914-4.

3. Лозовский В.Н. Нанотехнология в электронике. Введение в специальность: Учебное пособие / Лозовский Владимир Николаевич, Константинова Галина Серафимовна, Лозовский Сергей Владимирович. - 2-е изд.,испр. - СПб.: Лань, 2008. - 336с.:

ил. - (Учебники для вузов. Специальная литература). - Лит.:с.319.Предм.указ.:с.320.

4. Шишкин Г.Г. Наноэлектроника. Элементы, приборы, устройства: Учебное пособие для вузов / Шишкин Геннадий Георгиевич, Агеев Игорь Михайлович. - М.:

БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. - 408с.: ил. - (Нанотехнологии). - Лит.:с.404. ISBN 978-5-9963-0638-1.

1. Датта. С Квантовый транспорт: от атома к транзистору НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика" ISBN 978-5-93972-744-0; 2. Демиховский В.Я., Вугальтер Г.А. Физика квантовых низкоразмерных структур М.: Логос, 2000.

3. В.П. Драгунов, И.Г. Неизвестный, В.А. Гридчин. Основы Наноэлектроники. – Новосибирск: НГТУ, 2000.

8. Материально-техническое обеспечение дисциплины При чтении лекций для демонстрации презентаций используется медиапроектор.