2、纳米计算与碳纳米管电子学：从硅基挑战到新型替代方案

纳米计算与碳纳米管电子学：从硅基挑战到新型替代方案

1. 纳米技术时代的计算趋势

费曼曾在一次著名演讲中提到“底层有充足的空间”，这暗示着计算技术的进步或许不会因硅技术中摩尔定律的逐渐失效而停滞。当我们能够利用微小粒子、原子、分子及其库仑力、范德华力和量子相互作用中固有的计算能力时，新的可能性将层出不穷，而这些能力目前尚未得到充分开发。

半导体行业多年来一直遵循摩尔定律实现指数级增长，集成密度达到了惊人的高度，芯片上的功能也从简单的加法器发展到片上系统。然而，随着纳米技术时代的到来，半导体器件将被缩小到物理极限，电路和系统工程师面临着诸多挑战。

2. 硅基纳米电子学的挑战

2.1 短沟道效应

在缩放的MOSFET器件中，短沟道效应表现为阈值电压（Vth）随沟道长度的减小而降低。在长沟道器件中，源极和漏极的耗尽区对器件大部分区域的电位或电场模式没有影响，因此阈值电压几乎与沟道长度和漏极偏置无关。但在短沟道器件中，源极和漏极的垂直耗尽宽度与有效沟道长度相当，导致它们的耗尽区相互作用，降低了源极和沟道之间的势垒，从而降低了阈值电压。

此外，漏极电压对短沟道器件的势垒也有显著影响。在关断条件下，源极和沟道之间的势垒阻止电子流向漏极。对于长沟道器件，势垒高度主要由栅极电压控制，对漏源电压（Vds）不敏感。但在短沟道器件中，高漏极电压会降低势垒高度，进一步降低阈值电压，这种现象称为漏极诱导势垒降低（DIBL）。DIBL在高漏极电压和短有效长度下更为明显，理想情况下，DIBL不会改变亚阈值斜率，但会降低Vth。

2.2 漏电流问题

硅MOSFET中的一个主要问题是漏电流的增加。随着D