Nanoelectronic materials and devices (Zhu Changchun, He Yongning)

This book systematically expounds on the theoretical basis and current status of experimental research of nanoscale electronics. The book is divided into eight chapters, including: an overview of the birth and development of nanoelectronics; nanomaterials and their electronic properties; nanosilicon-based CMOS devices; foundations of nanoelectronics; solid-state nanoelectronic devices; nanophotonic materials and devices; nanocharacterization and nanofabrication technology; carbon nanotube field emission display. The birth of nanoelectronics is an inevitable result of the development of microelectronics to this day. Nanoelectronic devices are the next generation of solid-state electronic devices after microelectronic devices. Nanoelectronic materials and devices are the foundation and key of nanoelectronics. This book systematically expounds on the theoretical basis and current status of experimental research of nanoscale electronics. The book is divided into eight chapters, including: an overview of the birth and development of nanoelectronics; nanomaterials and their electronic properties; nanosilicon-based CMOS devices; foundations of nanoelectronics; solid-state nanoelectronic devices; nanophotonic materials and devices; nanocharacterization and nanofabrication technology; carbon nanotube field emission display. Chapter 1 Introduction 1.1 The birth of nanoscience and technology and its potential impact 1.1.1 The origin and development of nanoscience and technology 1.1.2 The potential impact of nanoscience and technology on mankind 1.2 From microelectronics to nanoelectronics 1.2.1 Moore\'s Law of the development of microelectronic devices 1.2.2 The birth of nanoelectronics 1.2.3 The research basis of nanoelectronics 1.3 Nanoelectronic materials and devices 1.3.1 Nanoelectronic materials and their applications 1.3.2 The development of electronic devices 1.3.3 Nanoelectronic devices and their research content 1.4 Preparation, measurement and characterization of nanoscale materials and devices 1.4.1 Interactions in the development of electronic materials and devices 1.4.2 Electronic thin film materials and their multilayered thin film devices are the mainstream of current research 1.4.3 Nano-measurement and characterization and their basic characteristics Summary References Chapter 2 Nanomaterials and their electronic properties 2.1 Nanoelectronic materials 2.1.1 Classification and characteristics 2.1.2 Introduction to preparation methods 2.2 Nanostructures and their assembly technology 2.2.1 Nanostructures and their characteristics 2.2.2 Assembly technology of nanostructures 2.3 Fundamentals of solid-state electronics 2.3.1 Electronic band structure of crystals 2.3.2 Fermi distribution function 2.3.3 Electron distribution in metals and semiconductors 2.4 Electronic structure of 4-dimensional nanomaterials 2.4.1 Electronic structure of low-dimensional semiconductors 2. 4.2 Carbon nanotubes and their electronic properties 2.5 Quantum tunneling theory of finite potential barriers 2.5.1 Tunneling theory of one-dimensional symmetrical square barriers 2.5.2 Semiconductor superlattices and their microstrip transport Summary References Chapter 3 Nano-silicon-based CMOS devices 3.1 Silicon-based MOS integrated circuit technology enters the nanoscale 3.1.1 History of international MOS integrated circuit technology industry development 3.1.2 Current status of international research on nanoscale CMOS devices 3.2 Challenges faced by nano-CMOS devices 3.2.1 Challenges faced by CMOS technology 3.2.2 New physical effects of nano-CMOS devices 3.3 Structure of nano-bulk silicon CMOS devices 3.3.1 Proportional Narrowing the Limits 3.3.2 Gate Structure in Nano-CMOS Devices 3.3.3 Channel Structure in Nano-CMOS Devices 3.3.4 Shallow Source-Drain Junction Structure in Nano-CMOS Devices Ultra-Shallow Junction and Related Ion Doping Technologies 3.4 Nano-Bulk Silicon CMOS Device Process 3.4.1 Pattern Preparation Technology for Nano-Bulk Silicon Devices 3.4.2 Fabrication of Ultra-Fine Gate Lines and Ultra-Shallow pn Junctions 3.5 Quantum Effects in Nano-Bulk Silicon CMOS Devices 3.5.1 Quantum Tunneling Effect of Thin Gate Oxide Layer 3.5.2 Quantum Effect of Channel Inversion Layer 3.5.3 Random Distribution of Channel Impurities 3.6 New CMOS Devices and Their Integration Technologies 3.6.1 SOI MOSFET 3.6.2 Dual-gate MOSFET Summary References Chapter 4 Foundations of Nanoelectronics 4.1 Development Space of Solid-State Electronics at Nanoscale 4.2 Transport Properties of Electrons in Small-Scale Crystals 4.2.1 Several Basic Physical Characteristics of Electron Motion 4.2.2 Transport Properties of Electrons in Crystals 4.3 Basic Physical Phenomena and Laws of Nanostructures 4.3.1 Several Basic Physical Phenomena of Carrier Transport in Nanostructures 4.3.2 Ideal Ballistic Transport and Conductance Quantum of Quantum Wires 4.3.3 Coulomb Blockade and Single Electron Tunneling 4.4 Landauer-Buttiker Transport Theory of Nanostructures 4.4.1 Landauer Conductance Formula of Two-Terminal Single-Channel Mode of Nanostructures 4.4.2 Buttiker Conductance Formula of Two-Terminal Multi-Channel Mode of Nanostructures Summary References Chapter 5 Solid-State Nanoelectronic Devices 5.1 Basic Types and Characteristics of Quantum Electronic Devices 5.2 Resonant Tunneling Devices 5.2.1 Double Barrier Structure and Its Resonant Tunneling Effect. 5.2.2 Working mechanism of resonant tunneling devices 5.2.3 RTD applications 5.3 Single-electron devices 5.3.1 Single-electron box The simplest single-electron device 5.3.2 Single-electron transistor 5.4 Carbon nanotube interconnections and field-effect transistors 5.4.1 Transport properties of carbon nanotubes and their interconnections 5.4.2 Carbon nanotube field-effect transistors 5.4.3 Future prospects of carbon nanotubes in nanoelectronics Summary References Chapter 6 Nano-optoelectronic materials and devices 6.1 History of solid-state optoelectronics 6.1.1 Development of solid-state optoelectronics 6.1.2 Origin and current research status of nano-optoelectronic devices 6.2 Optical properties of low-dimensional semiconductors 6.2.1 Exciton theory in semiconductors 6.2.2 Interband transitions in low-dimensional semiconductors 6.2.3 Optical transitions between subbands in the same band in semiconductor quantum wells 6.3 Conductor light-emitting diodes 6.3.1 Introduction to light-emitting diodes 6.3.2 White light diodes and future lighting projects 6.3.3 InGaN/(3aN quantum well) high-brightness light-emitting diodes 6.4 Heterojunction semiconductor lasers 6.4.1 Double heterojunction lasers 6.4.2 Quantum well/superlattice heterojunction lasers 6.4.3 Quantum dot semiconductor heterojunction lasers 6.4.4 Single quantum wire semiconductor heterojunction lasers 6.5 Conductor photoelectric/photothermal detectors 6.5.1 Principles and applications of quantum photoelectric detection 6.5.2 Mechanisms and applications of photothermal detection 6.5.3 Nanosensors, actuators and their intelligent microsystems MEMS and NEMS 6.6 Photonic crystals and their applications 6.6.1 Basic theories and properties of photonic crystals 6.6.2 Preparation and application of photonic crystals Summary References Chapter 7 Nano-characterization and nano-manufacturing technology 7.1 Nano-characterization technology 7.1.1 X-ray diffraction method 7.1.2 Electron beam analysis method 7.1.3 Surface analysis technology 7.1.4 Scanning probe technology 7.2 Nano-manufacturing technology 7.2.1 Two basic approaches to nano-manufacturing technology and their integration 7.2.2 Thin film deposition technology and its applications 7.2.3 Pattern transfer technology of nano-structures 7.2.4 Self-assembly technology of nano-structures Summary References Chapter 8 Carbon nanotube field emission display 8.1 Field emission phenomenon and its basic laws 8.1.1 Vacuum micro /Nanoelectronics and field-emission phenomena 8.1.2 Fowle-Nordhaeim theory of field-emission 8.1.3 Application research of field-emission cold cathodes 8.2 Field-emission properties of carbon nanotube cathodes 8.2.1 Field-emission properties of single carbon nanotubes and their arrays 8.2.2 Field-emission properties of directly grown carbon nanotube film cathodes 8.2.3 Research on field-emission properties of printed carbon nanotube film cathodes 8.3 Carbon nanotube flat-panel displays 8.3.1 Display principles and research status of field-emission flat-panel displays 8.3.2 CNTFEA preparation technology 8.3.3 Preparation technology of triode-structured CNT-FED cathodes 8.3.4 Summary of development prospects of CNT-FED References