Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Это обеспечивает возможность управления током за счет интерференции электронных волн, пришедших в сток по траекториям различной протяженности. Проводимость между истоком и стоком можно переключать между состояниями «включено» и «выключено» путем изменения разности хода я. всего лишь на несколько электронных длин волн, как показано на рис. 3.
10, б. Если в активной области прибора заполнено более одной энергетической подзоны, то в нем могут распространяться электронные волны с различными длинами, т. е. реализуется многомодовый режим работы. Каждая мода имеет свою собственную длину волны, и поэтому отсутствуют четко выраженные условия, при которых 219 3.1.
ноно т носителей за яда вдоль нотвнииальньаг ье могут быть достигнуты илн конструктивная (усиливающая), или деструктивная (ослабляющая) интерФеренция электронных волн в стоке. В результате модуляция проводимости составляет менее 100% (см. рис. 3.10, и) и быстро уменьшается с ростом числа мод.
Ясно, что эффективно работать может только одномодовый прибор. Кольцевой интерференционный транзистор был предложен и запатентован Фоулеромьс. Он имеет кольцевую конструкцию, в которой одну сторону кольца пересекает узкий затвор шириной АЕ (рис. 3.11). Затвор может быть использован для изменения электронной плотности, в результате чего изменяется энергия Ферми и, следовательно, длина волны Ферми для электронов под затвором (Л .
) Лг). Это приводит к возникновению разности хода между электронными волнами, распространяющимися через различные половинки кольца, т. е. через разные ветви. Электроны нз разных ветвей покидают кольцо в одной и той же точке и, если разность фаз кратна 2и, конструктивно интерферируют, в результате чего проводимость кольца оказывается максимальной. Следовательно, проводимость может осциллировать с периодом, определяемым из условия ()гг — 1( УМ.
= 2кп, где )сг = 2к/Лг — волновой вектор Ферми в области под затвором длиной Ас".; /сг- волновой вектор Ферми вне затвора (л — целое число). Как и в случае с согласующим волноводом, модуляция может в принципе достигать 100% для одномодовых колец. Форд с соавторамиьт использовали близкий подход, но в их конструкции плечи кольца имеют различную длину и затвором управляется вся структура целиком. Условие интерференции приРнс. 3.11.
Кольцевая кон струкция квантового интерфе ренционного транзистора А. В. Госг)вг, Бепйсопдпссог спгеггепяпесег, 1)8 Ртепс 4 550 330 (1984). С. Х В. Гогй и а1., Несспсайу дев пей весе ю) опткоп ппМ апд Све Аьасопот-Воат ейесс, Аррс. Рьуз. арест. 54(1), 21-23 (1989). 220 Глава 3.
Перенос носителей заряда в низкоразме ных ктурах... нимает вид йфЕ = 2кн (йл задается путем изменения величины напряжения затвора). Интерес к квантовому интерференционному транзистору обусловлен тем, что этот прибор может обладать быстродействием и иметь большой коэффициент усиления. Быстродействие связано главным образом с его малыми размерами (скорость движения электронов в ОаАв составляет около 10' м/с, и поэтому время переноса носителей зарядов (время пролета) через активную область протяженностью 100 нм составляет всего 1О "с). Конечно, как и в обычных полевых транзисторах, максимальная рабочая частота будет ограничена паразитными параметрами, такими как время зарядки ЯС цепочки затвора.
На практике быстродействие квантового интерференционного транзистора почти такое же, как у короткоканальных полевых транзисторов, а преимушество связано с потенциально высокой крутизной характеристики прямой передачи. Оригинальная конструкция интерференционного транзистора предложена Карламоном с соавторами'е.
Она схематически показана на рис. 3.12. Здесь в качестве кольцевого интерферометра используется молекула бензола, которая присоединяется к управляющим металлическим электродам с помощью промежуточных проводящих молекулярных блоков. В качестве последних могут выступать линейные и циклические молекулы полимеров, а также квантовые шнуры из неорганических материалов.
Электронные волны, выходящие из электрода 1, интерферируют у входа к молекулярному блоку, соединяющему молекулу бензола с электродом 3. Интерференцией электронов (конструктивной или деструктивной) управляет электрод 2 посредством зарядового или туннельного эффектов. Предложенный принцип построения интерференционных транзисторов допускает использование в качестве рабочей не только молекулы бензола, но и молекул моноциклических ароматических Рнс.
3.12. Квантовый интерференнионный транзистор на молекуле бензола: 1, 2 и 3 — молекулярные блоки, связываюшие молекулу бензола с соответствующими упраааяюшими электродами Р. М. Сапгааголе, С. А. Дга9Ъггт, Х Мааитг(аг, Сопгю!1!па Чпап)пгп ггапзрон Гагопаь а з1 па)е гпо!есп)е, Мапо(еи. 6(! 1), 2422-2426 (2006). 3. 1. Транспорт носителей заряда вдоль потенчиальньи барьеров 221 углеводородов, а также молекул с кольцеобразной конфигурацией, например металлсодержашнх фталоцианинов.
Идея создания молекулярных интерференционных транзисторов хотя и получила достаточное теоретическое обоснование, пока практически не освоена. В целом, наряду с очевидными достоинствами квантовых интерференционных транзисторов (малые размеры, низкая потребляемая мощность) есть факторы, ограничивающие их практическое применение. Это, в первую очередь, низкие рабочие температуры, что диктуется необходимостью отсутствия рассеяния носителей заряда в рабочей области прибора. Даже если использовать чистые материалы, все равно при нанометровых размерах рабочих областей приемлемые по длине фазовой когерентности условия удается реализовать лишь при температурах жидкого азота (77 К) и ниже.
Другим существенным ограничением является требование одномодовости проводящего канала. Это приводит к тому, что рабочие токи в интерференционных транзисторах должны быть очень маленькими. Как следствие, такие приборы нуждаются в дополнительных усилителях и имеют очень низкую помехоустойчивость. Названные ограничения пока сдерживают применение интерференционных транзисторов в современных интегральных схемах.
3. е.4.2. Приборы на баллиетичеохих отраженных электронах В гетероструктурах СзаАз/А)ьзаАз с модуляционным легированием средняя длина свободного пробега электронов в двумерном электронном газе при нижих температурах может превышать 10 мкм. Это позволяет даже уже по сушествукицей микроэлектронной технологии создавать приборы, в которых электроны распространяются между стоком и истоком баллистически, испытывая только столкновения с границами раздела.
Соответствующий электрический ток может отражаться, следуя траекториям отдельных электронов, таким же путем, как и световые лучи, т. е. по законам геометрической оптики. Аналогия с геометрической оптикой была использована для того, чтобы сконструировать на основе полевого эффекта линзы и призмы, которые могут изменять траектории баллистических электронов. Изменяя коэффициент отражения от границ раздела с помощью внешнего смещения, можно контролировать проходящий между парой контактов ток, что позволяет конструировать полевые транзисторы на отраженных электронах. Линзы и призмы могут быть изготовлены из металлических затворов, которые изменяют плотность двумерного электронного газа, обеспечивая тем самым отражение электронов на границе раздела между управляемой под затвором и неуправляемой областями.
222 Глава 3. Перенос носителей за яда в низкоразмерныхст у ах... Из-за изгиба края зоны проводимости концентрация электронов на этой границе изменяется практически ступенчато (рис. 3.13). Сила, возникающая вследствие искривления зоны, действует перпендикулярно границе раздела, и поэтому импульс электрона в параллельном границе раздела направлении сохраня- етсЯ, т.
е. )з!з)пО! =Рзз)пйз, гдеР! иР, — импУльсы электРона до и после границы раздела, а О, и Оз — углы падения и преломления электронных волн на этой границе. Поскольку импульс Ферми электрона в двумерном электронном газе равен Ьус„, и так как Iсг = (2пл) !гз, где и — концентрация электронов, то з)пО,(з)пО, =(л,(и,)ц'. (3.1.16) Это выражение аналогично закону преломления оптических лучей. Идея использования эффекта преломления траектории движения электронов в двумерном электронном газе для переключения тока между контактами к нему впервые была предложена и продемонстрирована Спектором с соавторами".
Структура, которую они использовали, формировалась поверхностными затворами, как схематически показано на рис. 3.14. Хотя геометрическая форма затворов достаточно сложная, можно выделить три основных эле- Пов гетер Уровень Ферми Зона проводимости а Рис. 3. 13. Изгиб края зоны проводимости на границе раздела между управляемой (под затвором) и неуправляемой областями двумерного электронного газа (а); изменение траектории движения электронов при прохождении этой границы (б) Л Яресгог ег а1, Е!ее!гоп Гсспз!па (п гио-о)гпепз)опа1 зуиепи Ьу гпеапз оГ ап е)есноиайс! епз, Арр1. Рьуз.
(лц. 56(13), 1290-1292 (1990). 3. Л Т нспорт носителей заряда вдоль «отенциальных барьеров 223 Рне. 3.14. Структура преломляющето переключателя лля баллистических электронов мента этой структуры: точечный электронный эмьптер, три коллектора, обозначенных на рис. 3.14 буквами А, В и С и преломляющая призма. Эмитгер и коллекторные затворы поддерживаются при фиксированном и относительно высоком обратном смешении, что обеспечивает их действие как узких апертур, в то время как напряжение на затворе призмы варьируется с целью изменения электронной плотности под ней.
От эмитгера к коллектору электроны движутся баллистически. Их траектории движения можно изменить управляющей призмой, находящейся между контактами. Электроны отклоняются от первоначального направления, если их концентрация над затвором меньше или больше, чем под затвором. Путем воздействия ускоряющего напряжения на управляющей призме (от большого обратного смешения до среднего прямого смещения) можно ускорить распространение электронного луча через коллекторы А, В и С. Для каждого коллектора в рабочем режиме получены четко выраженные пики токов при напряжениях затвора, совпадающих с рассчитанными методом построения лучей.
Полевой транзистор на преломленных траекториях электронов может работать (переключать потоки электронов) находясь между многоканальными выходами и даже многоканальными входами, так как встречные пучки баллистических электронов взаимодействуют очень слабо. Эти приборы могут быть скомпонованы так, чтобы выполнять довольно сложные операции (например, переключение элементов при параллельной обработке сигналов). Ограничением для них по-прежнему остается требование низких рабочих температур. 224 Гл а а а 3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
