Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 51
Текст из файла (страница 51)
В этом случае специфические свойства одноэлектронного транзистора не берутся в расчет, а он служит лишь электронным прибором с управляемым высоким или низким уровнем выходного напряжения, соответствуюшим логическим «1» и «0», Периодическая зависимость напряжения на стоке от напряжения на затворе (см. рис. 3.25, а) упрошает конструирование комплементарных схем, аналогичных по своим функциям традиционным КМОП-схемам, поскольку позволяет применять однозлектронные транзисторы только одного типа. Однако при этом становится не- Предложены в работе: К.
К. Е)(г)гага», 8!п81е-е(ее!гоп пвпнагоак е(ее!гол(а!)с апа!оаа огюе 0С $(2() !()а, 1ЕЕЕ Тгапа. Мавп. 23, 1142-1145 (1987). Предложены в работе: К К. Г.!)г)гаге», К К. Яелгепо», Ром(ые 1огас с(гоп!н Ьанб оп гье соне!агед з(п81ее)ее!гоп !пппе1!па (п п1!гаева!1 )ппсбопз, (п: ехг. А(жгг. !8ЕС'87 (То(гуо), 128-131 (1987). г д м~ 251 возможным прямое воспроизведение схемных решений, разработанных и используемых в КМОП-интегральных микросхемах. Примеры логических элементов на одноэлекгронных транзисторах приведены на рис. 3.33.
Эти элементы работают в довольно широком диапазоне параметров самих приборов, но только при достаточно низких температурах. Рабочая температура может быть несколько повышена, если вместо одноостровковых транзисторов использовать транзисторы на основе цепочек туннельно-связанных островков с распределенной емкостью затвора. Но даже при этом достижение комнатной рабочей температуры требует уменьшения размера островков до 1 нм и меньше. Другим недостатком управляемых напряжением логических элементов является тот факт, что ни один из транзисторов в комплементарной паре не запирается полностью. Из-за этого ток утечки в таких элементах сравнительно велик и имеет величину порядка 1О 'е/(ЯС). При комнатной температуре потребляемая одним транзистором мощность достигает 10 ' Вт.
Управляемые зарядом логические элементы на одноэлектронных транзисторах лишены последнего из отмеченных недостатков. В них значение одного бита информации определяется наличием или отсутствием одного электрона в проводящем островке. В статическом режиме такие элементы не потребляют мощность из-за нулевых статических токов. В предложенных вариантах логических элементов один электрон можно «продвигать» через управляемые сегменты типа сдвигового регистра, а резистивно присоединенные к этим сегментам транзисторы обеспечивают расщепление сигнала и выполнение бинарных логических операций. Такие схемы, однако, требуют наличия связующих резисторов и могут функционировать лишь в сравнительно узком диапазоне параметров отдельных элементов. Для преодоления этих ограничений предложено вместо резистивной связи использовать емкостную.
Более перспективным для построения зарядовых логических элементов представляется применение прибора, который получил название «ггдлоэлектроллый твалзлсторлый лауаметрол» (в!ля!е-е1еслол ггалзгзгог рагатеггол)аг. Его простейший вариант основан на трех маленьких островках проводящего материала, разделенных двумя туннельными барьерами (рис. 3.34, а). Центральный островок должен быть немного смещен относительно линии, соединяющей центры двух крайних островков. Электронные про- прадас»ген в работе: к. к. 61«ггагее, А. 1гг'.
копн/сов 5!па!е-е!ее!гоп рагапгеггоп: гегепаые сопгрпгаггоп 1п а д!««гаге «гаге ауяепг, 5с!епсе 273, 763-765 (1996). ззз Глава З.Пе носнссителеа вннзкоразм ных Атв Рнс. ЗЗЗ. Примеры логических элементов на олнозлектронных транзисторах цессы в такой структуре проиллюстрированы потенциальными диаграммами на рис. 3.34, 6. Периодическое тактовое электрическое поле Е, удерживает избыточный электрон в центральном островке на уровне с энергией, соответствующей полю Е„только в течение части тактового периода. В определенный момент электрон перескакивает в алин из крайних островков, что делает этот островок энергетически еневы- дд Туннели еание носителей за яда не з нагненциаеьнме йарьери 253 Рнс. 3.34.
Структура одноэлектронного параметрона (а) и профили потенциальной энергии электрона (6), иллюстрируюшие происходлшие электронные пропессы Г ("мни%нее нейм, годным». Если структура симметрична, то выбор межгу двумя крайними островками для локализации избыточного электрона происходит абсолютно произвольно. Имеет место так называемое спонтанное нарушение симметрии. Однако действие со стороны соседнего прибора даже слабого электрического поля Е, может определить направление туннелирования электрона из центрального островка.
Как только потенциальный барьер ьг(г), создаваемый при последующем изменении тактового поля, нозрастает, электрон оказывается захваченным в одном из крайних островков, и тогда поле Е, может быть выключено. В таком состоянии прибор является источником сигнального псля Е, для соседнего прибора. Знак этого поля, соответствующий определенному направлению дипольного момента, представляет один бит информации, что позволяет изготавливать логические элементы на основе одноэлектронных параметронов. 3.2.2.9.
Проблемы и ограниченна Главные преимущества одноэлектронных приборов перед биполярными и полевыми полупроводниковыми транзисторами обусловле- ны их намного меньшими размерами (< 100 нм) и расширенными функциональными возможностями. Однако следует иметь в виду и их недостатки. Во-первых, работоспособность одноэлектронных транзисторов обычно ограничена областью низких температур (< 77 К). Для того чтобы они могли работать при комнатной температуре, размер квантовой точки должен быть намного меньше 10 нм. Во-вторых, одноэлектронные транзисторы имеют высокий выходной импеданс, что связано с большим сопротивлением туннельных переходов, которое должно быть намного больше, чем л/е~ (25,8 кОм).
В-третьих, напряжение исток — сток лля одноэлектронных транзисторов должно быть меньше, чем амплитуда (размах) напряжения затвора. Это необходимо для того, чтобы обеспечить возможность использования одноэлектронных транзисторов в качестве затворов, контролирующих переключающие приборы, поскольку ограничивающий потенциал квантовой точки очень чувствителен к напряжению исток — сток. В-четвертых, определенные трудности, связанные с воспроизводимостью характеристик одноэлектронных приборов, возникают из-за появления вблизи островка неконтролируемого заряда.
Такой заряд появляется вследствие захвата диэлектрическим окружением островка хотя бы одного примесного атома. Заряд примеси поляризует островок и тем самым изменяет условия для кулоновской блокады в нем. По мере преодоления перечисленных ограничений однозлектронные приборы будут превращаться из лабораторных образцов в промышленную продукцию. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Как выглядит эквивалентная электрическая схема одиоэлектронного транзистора? 2.
Какие условия нужны для поддержания постоянным числа электронов в квантовой точке однозлектронного транзистора для истока и стока? 3. Какова структура одноэлектронной ловушки, одиоэлектронного турникета, генератора накачки, олноэлектронного параметроиа, логического инвертяруюшего элемента? 4. Какими основными характеристиками обладают приборы на основе однозлектроииого туинелирования? 5. Какие основные ограничения существуют в испальзовании олиоэлектронных приборов? 3.2 Т ииелироеаиие носителей заряда через яотеиииальиые дарье ы 255 Рис. З.М.
Энергетическая литрамма и вольтамперная хщмктеристикв лвухбарьерной структуры с квантовым колодпем — — ь Маирпжеиио Р. Воат, Оиап!пгп Тьеогу, ртпнсе На!1, Епа)еиоод С1!Пз. Щ р. 283 (1951). П. В. л(оеаисеи, О аозмолоюсти резонансного прохождения электронов в крис- таллах через систему барьеров, ЖЭТФ 45(2), 207-213 (1963). Е.
Езя(а, Рс тзи, зпрег)ап!се апд пеаааче дйтегепби сопдпсич!гу т зет(сопбисгот, !ВМ 3. Кез. ()еч. 14(1), 61-65 (!970). 3.2.3. Реаонансноетуннелмрование Туннелирование электронов в низкоразмерной структуре определяется не только характеристиками ограничивающих ее потенциальных барьеров, но и разрешенными энергетическими состояниями для электронов внутри самой структуры. При совпадении уровня Ферми инжектируюшего электрода с дискретным уровнем низко- размерной структуры, ограниченной двумя потенциальными барьерами, имеет место резкое возрастание протекающего через нее туннельного тока.
Это явление получило название !вез!зависаете тугегееявроиависи (гезолаиг пгллейлй). Оно приводит к появлению на вольтамперной характеристике участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что чрезвычайно привлекательно лля создания твердотельных сверхвысокочастотных генераторов. Типичными структурами для наблюдения этого эффекта являются квантовые колодцы, ограниченные потенциальными барьерами конечной ширины. Возможность резонансного туннелирования в таких структурах была предсказана Бомоьгза и теоретически обоснована Иогансеномзт. Однако экспериментальное подтверждение этого явления было получено лишь два десятилетия спустите, после того как технология формирования сверхрешеток позволила создавать структуры с высококачественными квантовыми колодцами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
