Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 46
Текст из файла (страница 46)
Перенос носителей заряла а низкоразмерных Рнс. 3.15. Выпрямитель на баллистических отраженных электронах Возможность управления направлением движения носителей заряда в канале с баллистическим характером проводимости путем введения в этот канал специально созданного рассеивающего центра легла в основу оригинальной конструкции баллистического выпрямителя (Ьайх((с гесбйег) электрических сигналов, предложенной и экспериментально исследованной Сонгом с соавторами"т (рис. 3.15).
Рассеивающий островок треугольной формы помещен в месте пересечения сравнительно широкого баллистического канала ()-1. и относительно узкого баллистического канала Б — 13. Поток электронов из В в Р отклоняется рассеивающим островком в сторону контакта 1., образуя отрицательное напряжение Ро . При смене направления движения электронов в канале Б — Р поступающие из Р электроны опять же отклоняются к 1. контакту. Так реализуется эффект выпрямленна сигнала, поступающего на  — Р-контакты данного устройства.
Предложенная конструкция выпрямителя была экспериментально опробована авторами с использованием в качестве баллистических каналов областей двумерного электронного газа, сформированного в модуляционно-легированной структуре СзаА8/АЮаА8. Геометрическая ширина Б — Г)-канала составляла 400 нм, а () — 1=канала — 3,2 мкм. Эффект выпрямленна зафиксирован при входных напряжениях вплоть до 1 мВ для частот до 2 ГГц при температуре жидкого гелия. Теоретические оценки показывают возможность работы такого выпрямителя (детектора сигналов) в терагерцовом диапазоне. Его очевидным недостатком является низкая рабочая температура (не выше температуры кипения жидкого азота), что связано с необходимостью обеспечения баллистического характера движения электронов в проводящих каналах и подавления тепловых флуктуаций.
Введение в структуру выпрямителя дополнительных электродов, электростатически изменяющих траекторию движения электронов в баллистическом канале, позволяет создавать приборы с А. М. Ягля, А. Холке, А. Кггеге, Х Р. Коийаиг, Хопдпеаг е1есиоп иапзрогГ 1п ап щвгпегпс пг!его)ппсг)оп: а Ьардацс гесггтгег, Рьуз. Кек (лп. ВВ(17) 27 (1998). ДЕ Т ясно т носителей заряда вдоль нотенциальных ье Рис.
3.16. Транзистор не отраженных баллистических электронах транзисторным эффектом. Конструкции транзистора (Ьайэг(с дебесбоп ггапз)згог) и логических элементов на отраженных баллистических электронах предложены и запатентованы Дидаком с соавторами'3. Принципиальная схема такого транзистора показана на рис. 3.!б. По оценкам разработчиков предельные рабочие частоты данных устройств должны лежать в терагерцовом диапазоне. Ограничивающим фактором их эффективности остаются низкие (не выше азотной) рабочие температуры.
ВОПРОСт( Д31В САМОПРОВЕРКИ 1. Какие принципы положены в основу конструкций квантовых иитерфе- ренпионных транзисторов? 2. Что необходимо для реализации одномодового режима работы интер- ференционного транзистора? 3. Какой сдвиг фаз электронных волн в стоке обеспечивает конструктив- ную интерференцию и деструктивную интерференцию? 4. Какие принципы положены в основу конструкций электронных прибо- ров на отраженных или преломленных электронных волнах? 5.
Как осуществляется управления направлением движения носителей за- ряда в канале с баллистическим характером проводимости? 6. Каковы основные характеристики электронных приборов на основе интерференционных эффектов и баллистического транспорта носителей заряда? О. ВЫисй, М. Мазка!а, М. Х ГеЫтан, А Тегаьепе ггепзвгог Ьееед оп веотегпсе) дебесбоп оГ Ье10ик сопел!, М!спгиеее Бугпродпт (3!Гак (1ЕЕЕ МТТ-Б 1пгепгегюпе1, 2006), рр. 345 — 347; О.
)3(дис(г, М.Магхага, Вовы!с дебесбоп пепевгог апд 1опс с(гапке Ьезед оп гете, СБ Регепг 7 576 353 В2 (Рпмввед Апапп 18, Ю09). е — 16Ю 226 Глава 3. Пе иос носителей за ала в иизкоразме иых структурах... 3.2. ТУННЕЛИ РОВАН ИЕ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА ЧЕРЕЗ ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ БАРЬЕРЫ Туннелирование электрона через потенциальный барьер — типичный пример проявления его волновых свойств. В низкоразмерных структурах это явление приобретает специфические особенности, связанные с дискретностью переносимого электроном заряда и с квантованием энергетических состояний в таких структурах из-за квантового ограничения.
Наиболее характерно такие особенности проявляются в одноэлектронном туннелировании и в резонансном туннелировании, которые и будут рассмотрены в этом разделе. 3.2.1. Одноелектронноетуннелирование Наличие у электрона неделимого отрицательного заряда наряду с его волновыми свойствами определяют анализируемую ниже специфику его туннелирования в твердотельных наноструктурах.
3.2. 1. 1. Тунналированиа влвктроноа и услоаивк кулоновской блокады Известно, что электрический ток в твердотельном проводнике обусловлен движением электронов относительно неподвижных ионов решетки. Хотя каждый электрон несет на себе дискретный элементарный заряд, общий перенесенный через проводник заряд (представляющий собой соответствующее квантовомеханическое среднее) изменяется не скачкообразно, как можно было бы ожидать, а непрерывно, поскольку, согласно квантовой механике, вероятности нахождения электрона в разных областях проводника меняются непрерывно во времени. При этом для каждого электрона сумма вероятностей его нахождения в разных областях проводника всегда остается равной единице.
Так, например, если в начальный момент времени г = 0 электрон находится в квантовой точке А, то сначала вероятность Р„обнаружить его в этой точке равна единице, а вероятность Рв обнаружить его в точке В, куда он движется, равна нулю. Это означает, что заряд точки А равен — е, а заряд точки В равен нулю.
С течением времени величина Ра монотонно уменьшается до нуля, а Рв увеличивается до единицы, но при этом Р,,(г) + Ра(1) = 1. Поэтому в произвольный момент времени 1 заряды точек А и В будут равны — еР,(1) и — еРа(г) соответственно, т. е. их абсолютные величины могут быть меньше элементарного заряда электрона. В структуре, состоящей из двух областей проводника, разделенных потенциальным барьером из тонкого слоя диэлектрика, дд Туннели анне носителей ва яйа че з нотеняиальные ба веры 227 электрический заряд переносится комбинированным образом: непрерывно в проводнике и дискретно через диэлектрик. Эти процессы схематически показаны на рис. 3.17. Первоначально граница раздела между проводником и диэлектриком электрически нейтральна.
При подаче на внешние контакты структуры электрического потенциала начинается непрерывное изменение заряда в проводнике. Оно сопровождается накоплением заряда на границе с диэлектриком. Накопление заряда продолжается до тех пор, пока его величина не окажется достаточной для отрыва от границы и туннелирования через диэлектрик одного электрона. После акта туннелирования система возвращается в первоначальное состояние. При сохранении внешнего приложенного напряжения этот процесс повторяется неоднократно. Электрон приобретает возможность туннелировать через диэлектрик, когда накопленный заряд становится больше +е/2 (туннелирование в «прямом» направлении) или меньше — е/2 (туннелирование в «обратном» направлении), поскольку только при этом условии электростатическая энерп(я системы уменьшается.
При промежуточных значениях накопленного заряда туннелирование невозможно из-за кулоновского взаимодействия электрона с другими подвид(ными и неподвижными зарядами в проводнике. Данное явление называют кулоновской блокадой (СоиуотЬ Ыосйаде). Одноэлектронное туннелирование в условиях кулоновской блокады было теоретически описано советскими учеными'4. На основе их работ в 90-х годах ХХ века сформировалось новое направление в нанозлектронике — одиоэдектроннка (япК)е-е1есуготсз). В зависимости от количества соединенных вместе туннельных структур и их конструктивных особенностей однозлектронное туннелирование имеет те или иные специфические черты.
Структура с одним туннельным барьером может быть представлена эквивалентной схемой, изображенной на рис. 3.18, а. Ее основными элементами являются емкость образованного диэлектриком конденсатора С, и туннельное сопротивление Ян которое характеризует туннельный переход в отсутствие зарядовых эффектов. Емкость С, для подводящих электродов и источника напряжения является эквивалентной и учитывает изменение их заряда при )в. О. Кулик, Р. И. Шехтер, Кинетические явления и эффекты дискретности заряда в грануяированных средах, ЖЭТФ 68(2), 623-640 (1975); К.
К. в.АМату, А. В. кття, тъеоту ог В!оск-таче овсп!а((опв!п впвап )оверьвоп 1ппсвюпв, 3. (ои Тетр. Рвув. 59(3/4), 347-382 (!985); Ю. К Авпн, К К. Дйслаееу, Соп!отЬ Ыосхайе оу гоппе!пж апй повевая! овс81аиопв !п втаи шипе! !ппс!1опв, 3. (ли. гетр. Рву«. 62(2), 345-372 (1986). ггв Глаза 3. П нос носителей ядз я низкорззмерных дизлеыри' ороыззык ' Пдоеодеик протекании электрического тока.
Изменение электростатической энергии при туннелировании одного электрона равно разности за- пасенной в конденсаторе энергии и работы, выполненной источ- ником питания: оЕ =е'/(2С) -еК, (3.2.!) где С = С, + С,. Туннелирование энергетически выгодно только в том случае, когда АЕ ~ О, что (с учетом возможности туннелирова- ':% Ф Рис. 3.17.
Однозлектронный туннельный перенос заряда через диэлектрик и его мехзническзя аналогия ния как при прямом, так и при обратном смещении) приводит к выражению для порогового напряжения Щ = и/(2С). Величину са/(2С) называют кулоновеким заюром (Сои/отЬ дар). Рнс. 3.18. Эквивалентная электрическая схема (а) и вольтамперная характеристика (о) однооарьерной одноэлектронной структуры Вольтампсрная характеристика однобарьерной структуры показана на рис.
3.18, б. Электрический ток в такой структуре появляется только при ее смещении напряжением выше порогового. На «открытом» участке вальтамперной характеристики ток определяется величиной туннельного сопротивления Яе Связанные с одноэлектронным туннелированием осцилляции напряжения изменяют его величину на + е/(2С) и происходят с частотой/' = 1/е, где 1 — протекающий через структуру электрический ток. Экспериментальное наблюдение рассмотренных закономерностей возможно только при условии, что энергия тепловых флуктуаций мала по сравнению с энергией перезарядки конденсатора одним электроном.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
