Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 53
Текст из файла (страница 53)
Такая многослойная структура формирует потенциальные барьеры, подобные сверхрешетке. Примером такой многослойной структурыможет служить структура транзистора с резонансным туннелированием (рис.10.2, а).ВАХ рассматриваемых многослойныхструктур имеют резонансный характер с наличием максимумови минимумов. Ток в максимумах ВАХ соответствует напряжеIк,,,э,,,~ ~c;i+~о<,,,~о<,,,~c;i+~4. ,,, "'~ ~1"~о<"~ ::!5нмвкИвэа)б)Рис.10.2Раздел2842.ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫниям, при которых резонансные энергии кратны энергии Ферми ЕФ. Поскольку функция распределения электронов по энергии не является дельта-функцией, т. е. электроны движутся сразными скоростями, и длины их свободного пробега различны,то электроны под воздействием приложенного напряжения могут туннелировать через несколько слоев до момента столкновения.
В результате многократного некогерентного туннелирования происходит расширение пиков ВАХ и увеличение напряжений, соответствующих пикам. ВАХ транзистора, изображенногона рис. 10.2, а, приведена на рис. 10.2, б. Эмиттер этого транзистора имеет сложную структуру с двумя потенциальными барьерами, между которыми размещается квантовая яма с ширинойв несколько нм(~3 ... 6нм). Такая структура обеспечивает резонансное туннелирование, что приводит к крайне малому разбросу энергии электронов, т. е.
за счет наличия потенциальныхбарьеров большое число электронов эмиттерной области задерживаются в ней и в базу поступают электроны примерно с одинаковыми скоростями (моноскоростной поток). Из-за наличиярассмотренных процессов ВАХ такого транзистора имеет паИстокСтокЗатвор3 · 101340нмсм- 3n+GaAsбнмGaAs35нмAl 0 , 2 Gao,вAs••••••••••••••••-l>(Si)-cлoйGaAs 5,6 нм(3, 7 нм)InAsd = 1,07нм(0, 7 нм)GaAs 5,6 нм(3,7 нм)InAsd1,07нм(0,7GaAs -0,5 мкмнелегированныйбуфетный слойПолуизо:Лированна51 подложкаGaAs (100)Рис.10.3=нм)Глава10.дающий участокНаноэлектроника и функциональная электроника-285участок с отрицательной дифференциальной проводимостью. Особенностью этого транзистора являетсято, что потенциальные барьеры в нем создаются за счет гетеропереходов на границах:контактоварсенид-галлиевыхслоев на основе тройных соединенийAlGaAs.слоевиЭти переходы позволяют создавать узкие потенциальные барьеры, облегчающиетуннелирование электронов.Достаточно перспективным ПТ для работы в ВЧ и СВЧ схемах является гетеротранзистор, структура которого изображена на рис.10.3.В этом типе транзисторов создаются не толькоквантовые ямы, но и квантовые точки.
Последние вкрапляютсяв область протекания тока, и их поверхностная концентрация~ 3 • 10 10 см- 2 • Стоковый ток оrtределяется состояниями элект-,ронов, движущихся через квантовые ямы, и электронами, ло-кализованными в квантовых точках, свобода которых ограниченатрехмернымипотенциальнымибарьерами.Влияниеироль квантовых точек проявляется в характере выходной ВАХрассматриваемоготранзистора,тую форму (см. рис.котораяимеетдвухступенча10.2, б).Разновидности наноэлектронных приборов.
В настоящее время разработаньi и разрабатываются методы создания различного типа наноэлектронных приборов на квантоворазмерных эффектах, работающих в различных областях длин волн, включаявесь оптический диапазон, например инжекционные лазеры нагетероструктурах (см. п.21.3).Одним из перспективных направлений наноэлектроники является создание одноэлектронных приборов, например одноэлектронных транзисторов.
Если создать структуру из нескольких областей, формирующих туннельные переходы с малой собственной емкостью, то возможноперемещение через эти переходы одного или отдельных электронов. Нужные переходы можно сформировать между затвором, стоком и истоком. Из существующих наноэлектронныхприборов можно отметить квантовые интерферометры, квантовыекаскадные лазеры, квантовые вентили (инверторы).10.З. Приборы с зарядовой связьюПриборы с зарядовой связью (П3С) используются в самыхразнообразных устройствах: в запоминающих устройствах (3У)с большой емкостью памяти, в управляемых линиях задержки,286Раздел2.ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫв оптоэлектронных приемниках изображений, в формирователях видеосигналов, в различных фильтрах, в спектроаналиЗаторах и т. д. Широкое распространение П3С в телевидении, радиолокации, системах связи и обработки информации обусловленопростотой их конструктивных решений и технологий изготовления. Эти приборы имеют высокую степень интеграции, хорошуюнадежность и чуветвительность, могут работать в инфракрасном,видимом и ультрафиолетовом диапазонах длин волн.П3С представляют собой ансамбли МДП-конденсаторов, расположенных на минимально возможном расстоянии друг от друга.
Названия электродов в П3С аналогичны МДП-транзисторам,верхние металлическиеэлектроды называются затворами,вводинформации обычно происходит через электрод истока, а выводчерез сток. МДП-конденсаторы сформированы на общей монокристаллической полупроводниI<овой подложке .. Расположенныена слое диэлектрика полоски затворов(1)(рис.10.4, а)образуютрегулярную линейную систему или плосI<ую матрицу. В большинстве П3С подложкакремния, затворы-(2)изго.тавливается из высокоомногоиз алюминия или поликристаллическогокремния, в качестве диэлектрикана слоя которого0,1(3) используется Si0 2 ,толщи~мкм.Типичные размеры электродов: длинаL = 5 мкм, ширина40 мкм, зазор между электродами z.;;;; ••• 2 мкм, число электродов~ 10 3 в линейном и 10 4 ••• 106 в матричном П3С.Затворы присоединяют к управляющим шинам, на которыеотносительно подложки подаются импульсные управляющие потенциалы.
В зависимости от назначения П3С используются различные схемы организации тактового питания и взаимного расположения затворов. Далее для простоты будет рассматриватьсятрехтактное управление. При использовании подложки р-типа(см. рис.10.4) управляющие напряжения имеют положительнуюполярность.На рис.10.4,б из всей совокупности показана только однатриада МДП-конденсаторов, где каждый из указанных затворов подсоединен к своей шине управления (рис.10.5).Принципдействия П3С основан на накоплении и хранении зарядовых пакетов Qп в потенциальных ямах под затворами и на их перемещении в подложке между соседними конденсаторами при измененииимпульсных напряжений на управляющих шинах. Таким образом, между соседними элементами реализуется зарядовая связь,откуда возникло и само название П3С.Глава10.Наноэлектроника и функциональная электроника2871tnep txpФ1 и31 __,."~1-1._.Е..._."~11 11111-Q;;<(1<!ФJ,.J4)'11-.......-_____ _\_t_ ___<;;;}]: ~~И'3ф'"jl-дреиф/-диффузияб)д)'------,11, ____ _..
1в)---------\11...U'з'-----..-'1г)Рис.10.4ВыходФ1 Ф2 Фз: двых Фвых111111пp-SiРис.10.5Раздел2882.ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫВ П3С затворы на основе алюминиевых или поликремниевыхпленочных полупроводников присоединяют, как уже отмечено,к управляющим шинам, на которые относительно заземленногоэлектрода подложки подают импульсные управляющие напряжения. В рассматриваемом приборе имеется три управляющихшины Фl' Ф 2 , Ф 3 (см. рис.10.5),поэтому он называется трехтактным.Рассмотрим процессы записи, хранения и переноса информации. При записи информации напряжение в течение импульса, например, на втором затворе (см.
рис.мениt=>И хр10.4, б,в момент вреt 1 ), должно быть больше порогового (см. п. 6.2) Ф2 =И==И пор' а на соседних затворах напряжения должны удовлетворять соотношению Фl' Ф 3И З1' И 33 = И см < И пор' гденапряжение хранения, исм напряжение смещения.ихр -=В результате в полуriроводниковой подложке под затвором образуется потенциальная яма (штриховая линия на рис.10.4, б)для электронов.
В течение времени порядка времени диэлектрической релаксации из-под затвора2под действием поля удаляются дырки, а электроны еще не успевают заполнить потенциальную яму, т. е. под затвором2оказывается сформированнымобедненный слой. Глубина потенциальной ямы максимальна награнице полупроводника с диэлектриком, поэтому в первую очередь здесь начинают накапливаться электроны за· счет такихпроцессов, как перемещение носителей из соседней МДП-структуры, неконтролируемая тепловая генерация в обедненном слоеина поверхности полупроводника,а также из-за диффузииэлектронов из подложки.
Зависимость поверхностного потенциала от величины зарядового пакета Qп при заданном напряжении затвора приблизительно линейная:(10.1)где Сд-подзатворная емкость, определяемая диэлектрическимслоем.При постоянном значении Qп поверхностный потенциал возрастает также примерно линейно при увеличении напряжениязатвора.Накопленный заряд (см. рис.Qп под затворомпока Uxp =10.4, б, заштрихованная область2) будет храниться под этим затвором до.
тех пор,и 3' =U 32>И 31 , И33 , при этом U 31 , И 33(Под первым и третьим затворами заряда нет.)=Исмv<Ипор·Глава10.Наноэлектроника и функциональная электроника289Рассмотрим теперь процесс переноса зарядового пакета ( считывание информации). Пусть в момент времени(см. рис.t2напряжение на втором затворе начинает уменьшаться Ф 2= и см<и пор• а на третьем затворе и зз скачком нарастает до значений напряжений считывания исч=исм10.4, д)= из2 =<ипор и исч=и32 >ипор' при этом и 31=из. Под третьим затвором практически=мгновенно формируется пустая потенциальная яма.Отметим, что с учетом конечности времени, которое требуется для перетекания заряда из-под одного затвора под другой, задний фронт тактовых импульсов специально делают достаточнопологим.Перенос зарядовых пакетов осуществляется благодаря наличию краевых эффектов, поскольку размеры потенциальной ямывнаправлении(см. рис.переносазарядовпревышаютразмерыПоскольку приtt2=в третьем элементе электронов нет, а вовтором накоплен зарядQп 2 , то при из 2 = из 3 =из (см.
рис.согласно выражениюром3затвора10.5).(10.1)10.4, д)поверхностный потенциал под затвобудет значительно выmе, чем под затвором2.В результатевозникает продольное электрическое поле, ускоряющее электроны в сторону третьего элемента. На рис.10.4, а,в показана ситуация, иллюстрирующая изменение величины заряда под вторыми третьим затворами в процессе перетекания зарядов (момент времени между t 2 и t 3 ).
Приt=t 3 перенос зарядового пакета из второго элемента в третий заканчивается (см. рис.10.4, г).Для хранения и переноса одного зарядового пакета в данномслучае необходимо наличие трех элементов (трех МДП-конденсаторов). В моментt=t4на шину Ф 1 (см. рис.10.5),=т. е. на затворы=1 и 4, подается напряжение высокого уровня Ф 1 Ф4 и3 > ипор•и nакет заряда из третьей МДП-ячейки перемещается в четвертую, а первая заполняется зарядом из предыдущей и т. д.Таким образом, интервал времени от t 2 до t 3 соответствует времени переноса заряда tпер' т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
