Aktualisiert: 2023-06-17
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Quantenphysik in der Nanowelt
Schlüsselwort: Nanoelektronik
Quantenphysik in der Nanowelt
Elektronik für Entscheider
Die Entwicklung, Produktion und Vermarktung elektronischer Güter ist ein bedeutender Wirtschaftsfaktor, an dem Menschen mit verschiedenen Ausbildungen beteiligt sind. Um Produkte zum richtigen Preis, mit den richtigen Eigenschaften und zum richtigen Zeitpunkt anbieten zu können, müssen die Verantwortlichen eines Projektes miteinander über Projektziele kommunizieren können.
Dieses Buch soll Nichtingenieuren, die sich beruflich mit Produkten der Elektronik beschäftigen, die Möglichkeit geben, sich ein Stück auf dieses Fachgebiet zu begeben, um sowohl Aufgaben als auch Sprache und Vorgehensweise von Ingenieuren verstehen zu können. Ziel ist es dabei nicht, nach dem Lesen dieses Buches eine elektronische Schaltung entwickeln zu können. Im Vordergrund steht vielmehr ein generelles Verständnis für die Zusammenhänge und Grundbegriffe der Elektronik.
Aktualisiert: 2023-03-14
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Nanoelektronik
Quantenphysik in der Nanowelt
Spektrum Kompakt – Nanotechnologie
"nano" bedeutet semantisch "Zwerg". Denn Nanotechnologen beschäftigen sich mit wirklich winzigen Bauelementen: Ein Nanometer ist ungefähr hunderttausendmal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares – kaum vorstellbar. Dennoch versuchen Forscher in Ingenieursmanier aus solchen Minibausteinen – also Atomen und Molekülen – nützliche Dinge zu konstruieren. Vielversprechende Ansätze gibt es zuhauf: Nanomotoren, Nanoroboter oder Nanoelektronik, um nur ein paar Beispiele zu nennen. Wissenschaftler prophezeien, dass diese Errungenschaften unser Leben radikal verändern werden. Das muss die Technik jedoch erst noch unter Beweis stellen. Aber in jedem Fall hält der "Raum am unteren Ende", wie ihn der berühmte Physiker und Vater der Atomarchitektur Richard Feynman nannte, zahlreiche Überraschungen bereit.
Aktualisiert: 2020-01-01
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Nanoelektronik
Mit Nanoelektronik neue technologische Herausforderungen meistern
Durch die stetig wachsende Integrationsdichte mikroelektronischer Schaltungen werden heute Strukturgrößen von wenigen Nanometern hergestellt. Damit verbunden treten Effekte in Erscheinung, die vor einigen Technologiegenerationen noch vernachlässigt werden konnten. Diese Effekte beschränken die weitere Miniaturisierung des klassischen Transistors als wichtigstes Schaltelement. Andererseits können diese quantenmechanischen Effekte aber auch genutzt werden, um damit Transistorstrukturen zu realisieren, die auf neuartigen Prinzipien beruhen.
Das Lehrbuch führt zunächst in die Grundlagen der Halbleiterphysik ein und behandelt insbesondere auch die Effekte, die in Nanostrukturbauelementen zur Anwendung kommen. Es werden klassische Bauelemente wie Diode, Bipolartransistor und Single-Gate-MOSFET vorgestellt. Anschließend stehen besondere Nanostruktur-MOSFETs im Vordergrund und deren elektrische Eigenschaften in Zusammenhang mit den vorher erarbeiteten Grundlagen werden erklärt.
Das Buch bietet zu allen Kapiteln Rechenbeispiele zur Vertiefung und einen Fragenkatalog zur Prüfung des Verständnisses. Weiterhin wird auf eine Online-Simulationsplattform (nanohub.org, kostenfrei nach Registrierung) verwiesen, welche sich als Sammelbecken verschiedenster Simulatoren auf unterschiedlichem Abstraktionsniveau etabliert hat.
Aktualisiert: 2022-12-15
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Nanoelektronik
Mit Nanoelektronik neue technologische Herausforderungen meistern
Durch die stetig wachsende Integrationsdichte mikroelektronischer Schaltungen werden heute Strukturgrößen von wenigen Nanometern hergestellt. Damit verbunden treten Effekte in Erscheinung, die vor einigen Technologiegenerationen noch vernachlässigt werden konnten. Diese Effekte beschränken die weitere Miniaturisierung des klassischen Transistors als wichtigstes Schaltelement. Andererseits können diese quantenmechanischen Effekte aber auch genutzt werden, um damit Transistorstrukturen zu realisieren, die auf neuartigen Prinzipien beruhen.
Das Lehrbuch führt zunächst in die Grundlagen der Halbleiterphysik ein und behandelt insbesondere auch die Effekte, die in Nanostrukturbauelementen zur Anwendung kommen. Es werden klassische Bauelemente wie Diode, Bipolartransistor und Single-Gate-MOSFET vorgestellt. Anschließend stehen besondere Nanostruktur-MOSFETs im Vordergrund und deren elektrische Eigenschaften in Zusammenhang mit den vorher erarbeiteten Grundlagen werden erklärt.
Das Buch bietet zu allen Kapiteln Rechenbeispiele zur Vertiefung und einen Fragenkatalog zur Prüfung des Verständnisses. Weiterhin wird auf eine Online-Simulationsplattform (nanohub.org, kostenfrei nach Registrierung) verwiesen, welche sich als Sammelbecken verschiedenster Simulatoren auf unterschiedlichem Abstraktionsniveau etabliert hat.
Aktualisiert: 2023-02-07
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Quantenphysik in der Nanowelt
Coulomb-blockierter Elektronentransport über einzelne vergrabene InAs-Quantenprodukte in AIGaAs/GaAs-Heterostrukturen
Im neuen Jahrtausend kann man als Kunde in einem Computerfachgeschäft einen Personalcomputer beispielsweise mit einem Pentium III-Mikroprozessor einer Taktfrequenz von 600 MHz mit 128MByte RAM Arbeitsspeicher kaufen. Die minimale Strukturgröße liegt im Fall des Prozessors bei einer Breite isolierender Linien von 170 nm. Wie die vergangenen Jahre jedoch zeigen, ist dieser “Rekord” nur von kurzer Dauer, denn schon bald wird die nächste Generation von Prozessoren auf dem Markt sein, deren Entwicklungs- und Testphase bereits durchlaufen ist.
In diesem fortlaufenden Prozeß der “Top-Down”-Strategie, das heißt der immer weiterschreitenden Verkleinerung von Strukturen, stößt man mit den gängigen Produktions- und Entwicklungsverfahren ständig an technische, gelegentlich sogar an physikalische Grenzen, die die Hersteller immer wieder dazu zwingen, neue oder modifizierte Verfahren zu entwickeln. Die physikalische Grenze für die Funktionalität der Transistoren ist jedoch noch nicht erreicht, sie wird für das Ende des nächsten Jahrzehnts prognostiziert. Von da an müssen andere Konzepte verwirklicht werden, um effizientere Bauelemente herzustellen. Ein Einzel-Elektronen-Transistor, der der Grundlagenforschung bereits wohlbekannt ist, würde den kleinsten elektronischen Speicher darstellen, da nur ein einzelnes Elektron für einen Schaltungszustand, für ein Informations-Bit benötigt wird, dessen Funktion auch schon bei Raumtemperatur demonstriert werden konnte.
Um diese ultimativen, elektrischen Schalter zu realisieren, gibt es neben der “Top-Down” die “Bottom-Up”-Strategie, in der mit Hilfe von selbstorganisierenden Mechanismen eine bestimmte Anzahl von Atomen oder Molekülen zu Clustern zusammengefaßt werden. Ein Beispiel für solche Cluster sind Halbleiterquantenpunkte, die im Gegensatz zu lithographischen Techniken durch selbstordnende Prozesse entstehen. In der Vergangenheit sind sie intensiv optisch charakterisiert worden. Ihre elektrischen Transporteigenschaften sind durch Quanten- und Coulomb-Blockade-Effekte bestimmt.
Aktualisiert: 2020-06-12
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Ballistischer Transport in nanoskaligen Si/SiGe-Heterofeldeffektstrukturen
Im Elektronenkanal modulationsdotierter Si/SiGe-Hetero-feld-effekttransistoren werden durch Nanostrukturierung der Oberfläche ein- bzw. nulldimensionale elektronische Systeme erzeugt. Die Nanostrukturierung erfolgt entweder durch dynamisches Pflügen eines Resists mit dem Raster-kraftmikroskop oder durch Elektronenstrahllithographie und anschließendes materialselektives naß-chemisches Ätzen. Die minimalen Strukturabmessungen liegen bei etwa 15 nm. In Quantenpunktkontakten läßt sich bei T = 4.2 K die sukzessive Besetzung eindimensionaler Subbänder mit steigender Gatespannung beobachten. Unter endlicher Drainspannung führt die Auf-heizung von Elektronen zu negativ differentiellem Leitwert in der Strom-Spannungs-Kennlinie. Neben ballistischen
Effekten finden sich in einigen Quantenpunktkontakten und in lithographisch erzeugten Quantenpunkten auch Einzelelektroneneffekte, die als Coulomb-Blockade-Oszillationen im Leitwert sichtbar sind.
Aktualisiert: 2020-06-12
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Untersuchung der Auflösungsgrenzen eines Variablen Formstrahlelektronenschreibers mit Hilfe chemisch verstärkter und nicht verstärkter Negativlacke.
In der Elektronenstrahllithografie existieren die Belichtungskonzepte Gaussian-Beam und Variable-Shaped-Beam (VSB), die bisher auf Hochauflösung respektive Durchsatz optimiert sind. In dieser Arbeit wird der experimentelle Kreuzvergleich beider Belichtungskonzepte mit Hilfe chemisch verstärkter und nicht verstärkter Lacksysteme präsentiert. Als quantitativer Parameter wurde die Gesamtunschärfe eingeführt, die sich durch quadratische Addition der auflösungslimitierenden Fehlerquellen, also Coulomb-Wechselwirkungen (Strahlunschärfe), Lackprozess (Prozessunschärfe) und Proximity-Effekt (Streuunschärfe), ergibt. Grundlage ist die Anpassung oder Neuentwicklung spezieller Methoden wie Kontrast- und Basedosebestimmung, Doughnut-Test, Isofokal-Dosis-Methode für Linienbreiten und Linienrauheit sowie die Bestimmung der Gesamtunschärfe unter Variation des Fokus. Es wird demonstriert, dass sich mit einer kleineren Gesamtunschärfe die Auflösung dichter Linien verbessert. Der direkte Vergleich der Gesamtunschärfen beider Belichtungskonzepte wird durch die variable Strahlunschärfe bei VSB-Schreibern erschwert. Es wird gezeigt, dass die Prozessunschärfe den größten Anteil der Gesamtunschärfe stellt. Außerdem spielt die Streuunschärfe bei Lackdicken kleiner 100 nm und Beschleunigungsspannungen von 50 kV oder größer keine Rolle.
Aktualisiert: 2022-09-12
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