Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 47

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 47)

Это требует выполнения условия е'/(2С) > /св'Т, согласно которому при температуре 4 К величина емкости туннельного барьера должна быть менее 10 "Ф, а это возможно только в наноразмерных структурах. Из их числа наиболее подходящими для этого являются квантовые точки. Кроме того, надо иметь в виду, что для проявления эффектов, связанных с одноэлектронным туннелированием в условиях кулоновской блокады, необходимо выполнение условия Я, > л/е'.

Это требуется для снижения влияния квантовых флуктуаций числа электронов в квантовой точке, через которую происходит одноэлектронное туннелирование. Другими словами, флуктуации должны быть достаточно малы для изменения локализованного в квантовой точке заряда. язв Гл а за 3.

Перенос носителей заряда в иизкоразмерных структурах... 3.2. 1.2. Одноалектронное туннелироаание а,яаулбаръернъгк структурах Лве топологически совмещенные туннельные структуры, соединенные последовательно, представляют собой двухбаръерную структуру. Ее конструкция и эквивалентная электрическая схема изображены на рис. 3.! 9. Зги структуры могут представлять собой металлический проводник, в середине которого расположен металлический или полупроводниковый островок. Обычно по своим размерам и характеристикам этот островок похож на точку, в которой локализовано определенное число электронов.

Он имеет емкостную связь как с правым, так и с левым электродом. Зта связь характеризуется, соответственно, емкостями Сс и Сл. Емкость самого островка С равна сумме Сс и Сд. Для двухбаръерной структуры, также как и в случае однобаръерной, существует определенный диапазон напряжений, в котором электрический ток отсутствует вследствие кулоновской блокады переноса электронов. Однако типичная для однобарьерной структуры симметрия вольтамперной характеристики нарушается из-за дополнительных ограничений на перенос электронов, связанных с наличием в островке разрешенных электронных состояний.

На вольтамперной характеристике двухбаръерной структуры имеется диапазон напряжений, в котором электрический ток через структуру протекать не может. Этот эффект обусловлен электронными свойствами центрального островка и находит объяснение в терминах злектрохимических потенциалов островка )гг и электродов )зм )гл. При малых размерах островка энергии Ферми островка и электродов различаются.

Зто приводит к различию злектрохими- Гузкольиые переходы Островок (хзаго оязя зсмхз) а Рис. 3.19. Две топологически совмещенные и последовательно соединенные через квантовукз точку однозлектронные туннельные структуры (а) и их эквивалентная электрическая схема (о) 3.2 Туннелироеание носителей заряда через потенциальные барьеры 231 Рве. З.ЗВ. Энергетическая диаграмма (а) и вольтамперная характеристика двухбарьерной структуры (б) ческих потенциалов Ь)г = рг — )гй = )гг — )гд = еЬГ, (рис. 3.20, а), причина которого заключается в том, что перераспределение заряда в островке возможно только при значениях рг, кратных е/С.

В макроскопическом образце величина емкости С достаточно велика, поэтому отношение е/Сочень мало и энергии Ферми проводников и островка практически равны. Однако величина М; все же остается отличной от нуля, принимая значения в диапазоне Л Г, < е/(2С). Это рассогласование энергий Ферми проводников и квантовой точки и приводит в конечном счете к асимметрии вольт-амперных характеристик. Дискретность энергетических состояний электронов в островке приводит к тому, что заряд островка может изменяться только дискретно (с приходом или уходом одного электрона). Соответствуюшее изменение энергии составляет езу(2С). В соседних же макроскопических областях (за границами барьера) энергетические состояния электронов являются квазинепрерывными. При температуре 0 К эти состояния заполнены вплоть до уровня Ферми Ер, в результате чего возникает различие еЬь', между энергией уровня, с которого происходит инжекция электрона, и ближайшим к нему уровнем островка, который этот электрон может занять.

Электростатическая энергия всей системы с приходом на островок одного нового электрона изменяется на величину оЕ=)/2 г((е/С+/хУ.)'С вЂ” гьУ,'Ст. (3.2.2) Электрон, пришедший на островок с левого электрода, индуцирует на правом барьере поляризационный заряд величиной еСд/С. Чтобы подавить возникаюшую при этом кулоновскую бло- 1ЗЗ Глава 3. Пе нос носителей заряда в низкоразмерных структурах... каду, приложенное внешнее напряжение должно удовлетворять условию (3.2.3) К >С [е42С)+ ЛР; ~/Сх, что приводит к асимметрии вольтамперной характеристики двух- барьерной структуры. Для случая С = Сд > Сг ее внд показан на рис.

3.20, 6. При М; = 0 вольтамперная характеристика принимает вид, типичный для однобарьерной структуры. Рассмотренный выше случай предполагает, что характеристики двух туннелъных барьеров идентичны. Когда же один из них имеет более высокую прозрачность, вольтамперная характеристика приобретает специфический, ступенчатый вид из-за различия скоростей туннелирования через первый н второй барьер (рис. 3.21).

Такую характеристику называют гсулоиовской лестнниг(ей (Сои1отЬ лгаисале). Электрод у барьера с большей прозрачностью называют истоком, а с меньшей — стоком. Если напряжение между истоком и стоком превышает порог кулоновской блокады, то электрон туннелирует в островок между электродами, где он находится в течение достаточно продолжительного времени, пока не произойдет его туннелирование в спж. Вследствие меньшей прозрачности барьера туннелирование из островка в сток происходит с меньшей вероятностью и поэтому ограничивает перенос электронов через островок.

Заряд, накопленный на границе стокового барьера, становится больше заряда на истоковом барьере. Это приводит к тому, что повышение напряжения на внешних контактах компенсируется главным образом падением напряжения на стоковом барьере. Падение же напряжения на истоковом барьере остается почти неизменным. Поскольку именно оно определяет скорость инжекции электронов в островок, то и обший ток также остается неизменным. Так формируется первая после кулоновского зазора ступенька, на которой протекаюший через структуру ток не зависит от приложенного напряжения.

Последующие Рис. 3.21. Вольтамперная характеристика двухбарьерной однозлектронной туннельной структуры, один из барьеров которой имеет более высокую прозрачность б УС/е 3.2. Т наели ание носителей За лда че ез нотенииальные барьеры 333 ступеньки появляются с периодичностью, соответствующей увеличению заряда островка из-за увеличения числа находящихся на нем электронов )ч по мере повышения напряжения во внешней цепи.

Таким образом, пологие участки на вольтамперной характеристике отвечают различным зарядовым состояниям островка. Для расчетов вольтамперных характеристик двухбарьерных однозлектронных туннельных структур используют различные приближения. Одно из наиболее простых дает выражение 1= е'- ' ~1-Х~з(п(2я1"С/е)~ —, 1,78 е 2 яС 1й' (3.2.4) 3.2.

1.3. Сотуннелированме Описанное выше однозлектронное туннелирование, контролируемое кулоновской блокадой, может иметь место только при Т = 0 К в структуре с электрическим сопротивлением барьеров, значительно превышающим квант сопротивления (Я, > Ь/е'). Однако в условиях реального эксперимента действуют факторы, приводящие к определенным отклонениям от идеальной картины. Одним из таких факторов являются квантовые флуктуации числа электронов в островке (квантовой точке). Они приводят к тому, что в островке возникают виртуальные состояния, и в эти состояния из электрода-истока туннелируют электроны, энергия которых меньше энергии, необходимой для преодоления кулоновской блокады в разделяющем их барьере.

Благодаря внешнему источнику напряжения уровень Ферми в электроде-стоке расположен ниже, чем в истоке. Поэтому электрон в виртуальном состоянии имеет энергию, уже достаточную для где С вЂ” емкость островка; 0 — коэффициент туннелирования через барьер с меньшей прозрачностью. Двухбарьерные структуры, благодаря возможности управления их электрическими характеристиками путем соответствующего воздействия на электронные состояния в электродах и островке, представляют практический интерес для создания переключающих и усилительных приборов.

Это достигается за счет использования различных материалов для островка и электродов или посредством локализованных зарядов, встроенных в барьерный диэлектрик. Однако наиболее эффективным с точки зрения практического приборного применения является оперативное управление вольтамперной характеристикой структуры с помощью электрического потенциала, подаваемого на островок через третий электрод.

На этом принципе основаны одноэлектронные транзисторы, детальное описание которых дано в подразд. 3.2.2.1. 234 Г л а в а 3. Перенос носителей заряда в низкоразмерных структурах... преодоления кулоновской блокады в барьере, отделяющем островок от стока, и быстро покидает островок. Такой перенос электронов происходит параллельно с однозлектронными процессами, контролируемыми кулоновской блокадой. Он получил название «сотуппелнровапне (со-шппейпЯ или макрвскопииеское квантовое туннелировапие (тасписорк диапшт шппейпЯ.

Последний термин отражает факт изменения в данном процессе такой макроскопической характеристики, как суммарный перенесенный через структуру заряд, хотя при этом очевидно нарушение ограничений, связанных с кулоновской блокадой. Различают упругое (егогггс) и пеунругое (гпейийс) сотуннелирование — рис. 3.22. Рис.

3.22. Энергетические соотношения для электронов при их упругом (а) и неупругом (а) сотуннелирование в двухбарьерной одноэлектронной структуре В случае упругого сотуннелирования электрон туннелирует в определенное энергетическое состояние островка и затем уходит из этого же состояния, которое в результате остается неизменным. Соответствующая такому переносу электронов плотность туннельного тока равна (3.2.5) где о, и аз — проводимости барьеров в отсутствие туннельных процессов; Ь вЂ” средний энергетический зазор между состояниями в островке; Е, — энергия зарядки, связанная с добавлением одного электрона в островок; Е, — энергия зарядки, связанная с уходом одного электрона из островка. Для упругого сотуннелирования характерно линейное соотношение между током и приложенным напряжением и отсутствие в явном виде зависимости от температуры.

Характеристики

Список файлов книги