Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 48
Текст из файла (страница 48)
Эквивалентная проводимость в данном случае изменяется про- дд Туннели ание носителей заряда через нотенииальные барьеры 235 порционально отношению величины энергетического зазора Л к кулоновскому зазору ез/2С. При неуируггаяе сотуннелировании электрон, вошедший в островок, занимает одно энергетическое состояние, а покидает островок электрон с другого уровня. Энергетическое состояние островка при этом изменяется вследствие соответствующего электронно-дырочного возбуждения, а плотность туннельного тока определяется следующим соотношением: .г т ' ' — + — 1гг Т?'+ е р (3 26) Плотность тока Упри неупругом сотуннелировании нелинейно зависит от приложенного напряжения ьеи температуры Ти имеет две составляющие: первая линейна по Ги квадратична по Т, а вторая— не зависит от Ти пропорциональна й 3.
Обе составляющие связаны с возрастанием электронно-дырочного возбуждения в процессе туннели рован ия. Соотношение между упругим и неупругим сотуннелированием определяется плотностью состояний в островке. В металлах, обычно имеющих высокую плотность состояний, неупрутие процессы преобладают над упругими. В полупроводниках же, где плотность состояний ниже, и те и другие вносят свой вклад в туннельный ток. Сотуннелирование проявляется на участках, контролируемых кулоновской блокадой, в виде дополнительного тока, зависящего от приложенного напряжения.
Оно приводит к отличиям между экспериментальными и теоретическими вольтамперными характеристиками одноэлектронных структур. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Что такое кулоновская блокада? 2. Какова величина критического заряда на границе проводник/диэлектрик, необходимого для туннелирования одного электрона? 3. Что такое однозлектроника? 4.
Как определяется величина порогового напряжения открывания одно- барьерной структуры? 5. Какова частота осцилляций напряжения при однозлектронном туннелировании через однобарьерную структуру? 6. Каковы критические условия для экспериментального наблюдения однозлектронного туннелирования? 236 Гл а па 3.
Пе нпс носителей зарвда и ппзкпрпзмерныл структурах... 7. В чем отличие вольтамперных характеристик олнобарьерной и двух- барьерной однозлектронныл туннельных структур? 8. Что такое кулоновскля лестница? 9. Что такое сотуннелиропание и как оно происходит? 10. Какой пиа имеет зависимость тока через структуру от приложенного напряжения и температуры прн упругом и неупругом сотуннелиропании? 3.2.2. Приборы на основе одноелектронного туннелированив Электронные приборы на основе одноэлектронного туннелнрования состоят из одной нлн нескольких квантовых точек, соединенных туннельными переходами как между собой, так и с подводящими электролами.
Это транзисторы и функциональные элементы, позюляюшие строить более сложные одноэлектронные системы обработки информации. 3.2.2. 7. Одноепеатронный транзистор Ооноэлектронный транзистор (91п~1е-е1есггоп Ггапз(згог) представляет собой трехконтактный переключающий прибор, в котором электроны «поштучно» переносятся от истока к стоку через разделяющую их квантовую точку, электронные состояния в которой электростатически контролируются затвором". Его формальная структура н эквивалентная электрическая схема приведены на рис. 3.23. Работа одноэлектронного транзистора может быть описана путем выделения в его структуре и последуюшего анализа двух одноэлектронных ячеек: одной — связанной с истоком (параметры с нижним индексом з), а другой — связанной со стоком (параметры с нижним индексом гГ).
Параметры затвора имеют нижний индекс я. Эквивалентные схемы этих ячеек показаны на рис. 3.24. Для таких схем условие поддержания числа электронов п в квантовой точке постоянным имеет внд — ~пе — — -С $' !< ~' < — ~пе+ — -С Г (3.2.7) С«(, 2 ' '1 Сл(, 2 Впервые описан и работе: Р. К Авена, К К. Гл)гаага», Соп)оглЬ Ыпсйабе оГ глппейпа апд соьег«пг огс)йлцопз )п згпа11 пеппе! )пес!!ппз, 3. Ггга. Тепгр.
Рьуз. 62(2), 345-372 (1986). Впервые пзгптоплеп и исследован: г. А. Ри(гол, б. Х Рагал, Оьюгга!!пп пГ япа)е-«1««!гоп «вага(па е(ге«!» )п япа11 пгпп«1(па )ппсбппз, РЛуз. Кем ! «и. 59(1), 109-112 (1987). 3.2 ТУляеаи ание иесителей яда хе лотенциалъные бар и 237 ДЛЯ ИСТОКИ И 1 е 1 Г е С +С в с -не+ — +С Г ~>Р; > ~-не — +С Г (3.2.8) е в! С+С а Квантовая -И'~'~ туи жльиыс баоьары я,с я,„с Рис.
3.23. Структура олнозлектронного транзистора (а) и его эквивалентная электрическая схема (б) Рис. 3.24. Эквивалентные схемы алноэлектронных ячеек, связанных с исто- ком (а) и стоком (б) ДЛЯ СТОКИ. На рис. 3.25, а приведено соотношение между напряжением стока ~~ и напряжением затвора $г которое удовлетворяет условиям (3.2.7) и (3.2.8). Заштрихованные области здесь соответствуют условию кулоновской блокады при числе электронов в квантовой точке и, соответствующем указанной величине. Эти области устойчивого состояния транзистора называют яулоиойслзгми аямазазма (Сои1олгЬ ггйннопсЬ).
В них число электронов в квантовой точке определяется только напряжением на затворе и емкостями затвора и туннельных барьеров. При устойчивом состоянии транзистора ток через него не течет. 23В Гл а на 3. Пе нос носителе» заряда а инзкоразмернмх структурах... О « т,е л х.( :-;~"' '~ ц, '( Рис. 3.23. Соотношение между напряжением на стоке к«и напряжением на затворе $х «(о).
Характеристики однозлекгроннмх транзистороа: зависимости 4,от у,(61 и Гост Кь(в) В других (незаштрихованных) областях квантовая точка может иметь, по меньшей мере, два разных значения н, т. е. ее электростатическое состояние является неустойчивым. Так, обозначение «1,0» указывает на то, что число электронов в точке может быть равно либо единице, либо нулю. Первое предпочтительнее для туннельного перехода электронов из истока, а второе — для их туннельного перехода в сток. Поэтому, когда между электродами истока и стока прикладывается конечное положительное напряжение Кд, (штриховая линия на рис.
3.25, а), а напряжение затвора равно е/(2С ), имеет место описанный ниже процесс электронного переноса. Первоначальное число избыточных электронов в квантовой точке предполагается равным нулю. Для туннельного перехода из истока равное единице число электронов является предпочтительным, поэтому электрон туннелирует из него в точку, и число электронов в точке становится равным 1. Однако для туннельного перехода в сток предпочтительное число электронов равно нулю, поэтому электрон туннелирует из точки в сток, и число электронов в точке становится равным О.
В итоге электрон туннелирует от истока к стоку, и ток исток — сток при таких напряжениях становится отличным от нуля. З.д Туннелиуоаание носителей за ада че ез потенциальные ворье ы 239 Максимумы на зависимости тока сток-исток 1,„от Р' имеют место при напряжениях затвора пе/С + е/(2С ) — см. рис. 3.25, б. Осцилляции 1~ как функции Р' называются пулоповспими оепиелягеппми.
Зависимость 1, от К, получается таким же образом. Типичные примеры этой зависимости показаны на рис. 3.25, в для двух значений напряжения затвора — 0 и е/(2С ). Кривые с нулевой проводимостью при 1"л, — 0 и Р~ = О, называются характеристиками кулоновской блокады. Ток исток †ст в одноэлектронном транзисторе можно рассчитать, если известна скорость туннелирования электрона через переход. Туннелирование одного электрона сопровождается изменением числа электронов в квантовой точке от п до п + 1.
При этом скорость туннелирования определяется выражением: Г(п,л+1) — — ( ' ), (3.2.9) е'Тг, 1-ехр( — ЬР(п,п+1)//с Т~) где ЛР(п, л + 1) — изменение свободной энергии заряда при туннелировании; А, — туннельное сопротивление перехода. Аналогично, скорость туннелирования через переход истока обозначается как Г, (и, п + 1), а через переход стока — как Ге (п, и + 1).
Вероятность р„ нахождения п электронов в квантовой точке может изменяться за счет их ухода из этого состояния или прихода в него (в результате образуются состояния п — 1 или п + 1 соответственно): — "=Г,(п+1,п)р„„+Гт(п-1,л)р„,— Ир„ 1 (3.2.10) — (Г (п,п+1)+Г (п,л-1))р„, где Г (п,п+1)=Г,(п,п+1)+Г (п,п+1). (3.2.11) В выражении (3.2.11) соблюдается условие нормировки: 1 р„=1. (3.2.12) Ток 1одноэлектронного транзистора определяется как 1=ех~~ р„(Г,(п,л+1)-Г„(л,п+1)1. (3.2.13) Преимушествами однозлектронных транзисторов являются их малые размеры (вплоть до размеров нескольких атомов) и связанная с этим возможность высокой степени интеграции, а также Зае Гл а в а 3.
Перенос носителей эа ада в ииэкораэмерных структурах... чрезвычайно низкая потребляемая мощность. Ограничения же их применения связаны с рассмотренными выше требованиями еэ/(2С) > гг Т, Я, > Ь/ег, а также с необходимостью подавлять сотуннелирование, что, в конечном счете, приводит к низким рабочим температурам реальных приборов. Однако использование последних достижений нанотехнологий и оптимальный выбор материалов может расширить диапазон рабочих температур (вплоть до комнатных) однозлектронных транзисторов и устройств на их основе.
Одна из первых конструкций одноэлектронного транзистора, созданного по технологии изготовления кремниевых интегральных микросхем, использует элементы кремниевого МОП транзистората(рис.3.26). В нейдва злектрическиразделенных электрода(верхний П-образный и нижний прямоугольный) образуют структуры с расщепленным затвором (в сочетании с кремниевой подложкой, имеющей р-тип проводимости). При подаче на нижний электрод положительного относительно подложки напряжения смешения в ней образуется инверсионный канал с н-типом проводимости. При подаче на верхний П-образный электрод отрицательного напряжения смешения инверсионный канал разрывается областями обеднения. Возникающие разделительные потенциальные барьеры формируют квантовую точку, выполняющую функции островка одноэлектронного транзистора.
Плошадь сформированного таким образом островка составила 3500 нм', а его собственная емкость — 2,8 . 'гб 'т Ф. Надежное функционирование этого прибора в качестве однозлектронного транзистора возможно при температуре не выше 4,2 К. Рнс. 3.26. Кремниевый одно- электронный транзистор на основе двухэатворной МОП-структуры Н. йуаниоко, о. 1Пгггипг, Тгапягои ргорегйеа от а нйсоп мпй)е-е)есооп ГгапэЬГог аг 4.2 к, Арр!. Рьуэ. глн. 6615), 613-615 (1995). Д 2 Т ииелираеание иосиигелей зарлда через потеиниальиые ба ее ы 241 Другим интересным с практической точки зрения примером однозлектронных транзисторов, совместимых с кремнием и работающих при комнатной температуре, являются туннельные структуры типа металл / оксид металла / металл, которые создаются с помощью электронно-лучевой литографии и локального окисления.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
