Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 49
Текст из файла (страница 49)
В качестве металла используют Т(, А1, М, Сг. Конструкция первого одноэлектронного транзистора на основе туннельных переходов в структуре Т1/ТЮ /Т(гг показана на рис. 3.27. Он создан путем нанесения пленки титана толщиной 3 нм на термически окисленную (100 нм 810з) кремниевую подложку с последующим локальным анодным окислением титана при использовании в качестве катода зонда сканирующего туннельного микроскопа. Размеры сформированного таким образом металлического (Т1) островка составили около 30 х 35 нмз, а туннельные барьеры из ТЮ„имели ширину в диапазоне 2 — 3 нм. Благодаря малым размерам островка его электрическая емкость составила около 10 'У Ф, что и обеспечило работоспособность данного олноэлектронного транзистора при комнатной температуре. Перспективной представляется конструкция однозлектронного транзистора (рис. 3.28), в которой островок и злектродьг выполнены из графенага. Благодаря малым размерам островка его диапазон рабочих температур увеличился вплоть до 300 К.
Разработано два метода реализации логических операций в схемах на одноэлектронных транзисторах. В первом из них одному биту информации соответствуют два состояния одного электрона (одноэлектронные приборы используются и как устройства, позволяющие осуществлять перенос электронов один за другим, т. е.
контролировать каждый бит представленной таким образом ин- 3)6)с Рнс. 3.27. Оанозлектронный транзистор на основе островка Т) н туннельных барьеров Т!/Г)О /Тг затвор к маглигпоаг его!., коогп геппнгагоге орегаиоп о(а а)п81е е1есноп ггапнног ваде ьу гье асапп1пв гпппедпв ппсгоасоре папоохыацоп ргосезз гог ще тк)„/г) аунепг, Арр!. РЬук ЕеГГ. 68 (1), 34 — 36 (1996). Е.
А. )гопонгагпп)го еГ а(., Сьаог(с ()нас Ь)кван) (п вгарьепе Чпапопп дон, зс(енсе 320, 356-358 (2008). 242 Гл а в а 3. Перенос носителей за лла в низкоразмерных структурах... Затвор Островок Рнс. 3.28. Олнозлектронный графеновый транзистор. Фото Ю Бе!енсе, 2008 формации). В другом методе одному биту информации отвечают, как и в классической микроэлектронике, два состояния однозлектронного транзистора — «включен» (ток течет через прибор) и «выключен» (ток через прибор не течет). С точки зрения потребляемой мощности первый метод является более предпочтительным. Однако в этом случае даже один ложный» электрон, появляющийся из-за шумов или тепловых возбуждений, полностью искажает результаты. Поэтому с точки зрения устойчивости и воспроизводимости второй метод лучше.
3.2.2.2. Одноолоятроннон ионуиаса Увеличивая число туннельно-связанных островков, можно изготовить различные однозлектронные приборы. Один из таких приборов — однозленгироннаи лооуанга (лгщ!е-е/еснтзп Итгр)'е схематически показан на рис. 3.29, а. Главной ее особенностью является би- или мультистабильная внутренняя зарядовая память: в пределах определенного диапазона значений прикладываемого к затвору напряжения сг'ближайший к затвору островок может находиться в одном, двух или более устойчивых зарядовых состояниях, определяемых числом захваченных электронов л.
Причина такой мультистабильности состоит в следуюшем. Электрическое поле локализованного в одном из островков цепочки электрона распространяется на определенное расстояние„которое в единицах числа островков по порядку величины равно М=(с/С )'л, (3.2.14) Впервые описана в работе: Т. А. ри(Гол, Р. А. Соттеб Г.. М. РипИебегхес Оегепп!пагюп ог соп!огпь-ыоскабе геннапсез апд оьюгтагюп ог гье шппе1!па ог ипа!е е!есггопз!п япай-шипе!-!ппспоп с!гспй, РЬуз. Кет. Еегг. бт(22), 3148-3151 (1991). яд туннели ание носителей заряда че яотеняиал»на«ба ры 243 — 3йаааи ~ — '-' Рис.
3.29. Одноэлектронная ловушка (о), профили распределения энергии в ней (б) и зарядовое соспзяние ловушки (в). Обозначения см. в тексте где Се — эффективная паразитная емкость островка; С- взаимная емкость соседних островков (обычно она больше емкости туннельного перехода). Такая «однозлектронная уединенная волн໠— солитон — взаимодействует с краями цепочки, если находится от них на расстоянии меньше или порядка М. В результате собственная электростатическая энергия солитона имеет максимум Ю н[е'/(2С)[к пнп(М, )т), (3.2.15) где зт — число островков в цепочке.
Этот максимум отчетливо виден на средней кривой рис. 3.29, б. При приложении к затвору достаточно большого напряжения ((1 = Е/ ) профиль распределения энергии изменяется так, что электрон переходит к краю островка. 244 Г па в а 3. Пе нос носителей за а в низкоразыерных структурах... Если цепочка не очень длинная (Ф < М), то другие электроны отталкиваются от него. Если же в дальнейшем напряжение затвора уменьшается до первоначального значения, то электрон захватывается крайним островком и располагается позади энергетического барьера.
Для того чтобы удалить электрон из ловушки, необходимо понизить напряжение до У < Ю' (верхняя кривая на рис. 3.29, б). В результате на зависимости числа электронов и от У появляются области би- или мультистабильности, в которых зарядовое состояние ловушки определяется только ее предысторией (рис. 3.29, в). Время жизни определенного состояния в пределах мультисгабильной области ограничено сверху эффектами надбарьерной термической активации и согуннелирования.
Скорость переноса электронов по механизму надбарьерной термической активации увеличивается с ростом температуры пропоРционально ехР1 — Е,/(квТ)), где Е, — энеРгиЯ активации, величина которой коррелирует с высотой потенциального барьера, разделяющего островки. Сотуннелирование же при увеличении длины цепочки, т. е.
с ростом Ю, ослабляется экспоненциально. Оценка скорости этих процессов показывает, что реальное время удержания электрона в ловушке может быль очень большим. Так, при низких температурах были успешно продемонстрированы одноэлектронные ловушки со временем удержания не менее 12 часов, ограниченным только временем наблюдения. 3.2.2.3. Ячейка динамической ламити Многоостровковая одноэлектронная структура может использоваться в качестве динамической иаваизни (Мулат(с тетогу сеИ) аа. Ее конфигурация показана на рис. 3.30. Наличие электронов в островке О)3 соответствует логической «1», а их отсутствие — логическому «О».
Для записи логической «1» на вход ячейки подают импульс отрицательного напряжения К„, заставляя электроны туннелировать через промежуточные островки и туннельные барьеры и накапливаться в ОР. Зарядовое состояние К, островка ()13 регистрируется электростатически связанным с ним выходным электродом. Подача на вход ячейки импульса положительного напряжения Ры заставляет электроны покинуть островок ОО, обеспечивая таким образом отсутствие в нем заряда, что соответствует логическому «О», з' Впервые описана в работе: К. Факахасо, Н. А(ии«4, Тйе азой(р!е-!оппе))впсиоп апб 1в арр1!са!взп Со з(па1е-е1ес!зоп пзепзозу апб!оа!с с(зспйз, )ар. К Арр!.
Рйук 34(Ран!, 2 В), 700-706 (! 995). З.Д Т имели ание носителей яда че з потенциальные барьеры 245 Рис. 3.30. Одиозяектроииая динамическая память Поскольку зарядовое состояние островка ( )Р очень чувствительно к любому произвольному изменению заряда в окрух(аюших его элементах, для контролируемого управления им необходимо использовать цепочку из 5 — б одноэлектронных структур (островок + туннелъный переход), как это показано на рисунке, хотя для функционирования ячейки в качестве элемента динамической памяти достаточно двух туннельных переходов. Чем больше их включено в управляющую цепь, тем меньше влияние сотуннелирования на неконтролируемую утечку электронов на общий электрод.
З.2.2.4. Одиоаггеятронный турникетм гвнерэторнакачюв Поместив цепочку туннельно-связанных островков между инжектируюшим и принимающим электродами (истоком и стоком), можно получить одноэлектрокмвгй турникет (згля1е-е1есптгп Гигпзг(1е)а! (рис. 3.31, а). При е' = О прибор работает так же, как однозлектронная ловушка: при увеличении напряжения на затворе сг'выше определенного порога один электрон втягивается в центральный островок (случайным образом — из стока или из истока). Из островка его можно затем вытеснить, уменьшая с1 При наличии между истоком и стоком смещения Кы О электрон захватывается из истока, когда сг' повышается, и подводится к стоку, когда (1 понижается.
Если напряжение затвора изменяется периодически, то в течение каждого периода электрон будет переноситься от истока к стоку. Такой же эффект (и даже более силъно выраженный) можно наблюдать при помощи другого прибора — ггдноэяектронкого генератора пакачки (япя1е-е1есггтгп ритр)аг, схематически изображенного на рис. 3.31, б. Здесь ВЧ-сигналы сгг(г), приложенные к Впервые описан в работе: А. Х беег(гбг еГ а(., Ргецвепсу-1оскед пггпмае бетке Гог ипа1е е!есггопг, РЬ)в. Кег. ьегг. 64(22), 2691-2694 (1990).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
