Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 54
Текст из файла (страница 54)
На рис. 3.39 показан пример такого прибора. В нем область эмиттера (а следовательно, и эмиттерный ток) можно модулировать с помощью потенциала на затворе, выполненного в виде окружающего эмитгер р — п-перехода. Такое управление эмитгерным током позволяет управлять максимальным током, протекающим через структуру в резонансных условиях. гаа, в 265 РЬеа Е Ьяа У б Рис. 3.40. Схема построения, нагрузочные кривые и соответствующие им диаграммы потенциальной энергии лля базового элемента, обеспечивающего переход из моностабильного в бистабильное состояние тиапением. При этом один из приборов должен иметь третий вывод для модуляции пикового тока.
На рис. 3.40 показаны нагрузочные кривые и соответствующие этой схеме диаграммы потенциальной энергии. Когда напряжение смещения меньше удвоенного пикового напряжения 2$'р, на вольтамперной характеристике имеется всего одна устойчивая точка (рис. 3.40, а). Если напряжение смещения превышает 2Кр, то эта точка расшепляется на две ветви, Б! и 32 (рис. 3.40, в). Йебольшое различие пиковых токов у двух приборов определяет состояние схемы после перехода. Например, больший пиковый ток в задающем приборе (нижний резонансно-туннельный диод или транзистор) дает стабильную точку Б ! (штриховая линия).
Различие пиковых токов может быть слишком мало для переключения, так как в точке перехода (рис. 3.40, б) система очень чувствительна к их разнице. При периодическом изменении на- пРЯжениЯ смешениЯ Рьав схема Работает как логический вентиль. Привлекательной особенностью электронных приборов на основе резонансного туннелирования в сравнении с другими нано- электронными приборами является возможность их изготовления 266 Гл а в а 3. Пе нос носителей заряда в низкоразмерных структурах...
традиционными для микроэлектроники технологическими методами. Нанометровые размеры (< 10 нм) в них важны лишь по толшине структуры для формирования туннельных барьеров и квантовых колодцев. В плоскости же это могут быть микронные и субмикронные элементы (в зависимости от требуемых рабочих токов). Ббльшие, чем у других наноэлектронных приборов, рабочие токи обеспечивают и более высокую помехоустойчивость резонансно-туннельных структур. Их рабочий температурный диапазон определяется высотой потенциальных барьеров, окружающих квантовый колодец. Более высокие барьеры, хотя и снижают величину туннельного тока при неизменной толщине барьера, но вместе с этим и понижают ток, связанный с тепловым возбуждением и надбарьерной эмиссией электронов в колодец. Использование в качестве материала барьера широкозонных полупроводников и диэлектриков обеспечивает надежное функционирование таких структур при комнатных температурах.
В заключение раздела следует отметить, что наиболее важными особенностями рассмотренных наноэлектронных приборов на основе туннельных эффектов являются их расширенные (по сравнению с традиционными приборами) функциональные возможности, связанные с уникальной формой вольтамперных характеристик, а также высокое быстродействие. Поэтому такие приборы играют важную роль в разработке сверхбыстродействующих интегральных микросхем со сверхвысокой степенью интеграции.
Предельные рабочие частоты экспериментальных образцов приборов на туннельных эффектах составляют сотни мегагерц. Теоретические оценки предполагают их работоспособность на частотах в десятки гигагерц по мере совершенствования конструкций и технологии изготовления этихприборов. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Что такое резонансное туннелирование? 2.
Какие параметры определяют плотность туннельного тока в резонансно-туннельной структуре? 3. Каковы особенности и основные параметры вольтамперных характеристик резонансно-туннельных структур? 4. Какие явления подавляют резонансное туииелированне? 5. Как построена эквивалентная электрическая схема резонансно-туннельного диода? 6. Чем вызван пнк емкости на вольтфарадной характеристике резонансно-туннельных диодов? 367 3.3. Спин-зависимый т анспорт носителей заряда 7.
Как взаимосвязаны вольтампериые характеристики резоиансио-тун- нельного диода и резонансно-туннельного транзистора иа его основе? 8. В чем заключается принцип построения логических вентилей иа после- довательно соединенных резоиаисио-туинельиых структурах? 9. Какими основными характеристиками обладают электронные приборы иа основе эффекта резонансного туинелирования? з.з. спин-здвисимый ти~нспо~т носителей зди~дд Изучением специфических явлений, связанные со спин-зависимым транспортом носителей заряла в твердотельных структурах, и разработкой электронных приборов на их основе занимается новое направление науки и техники — стиипроника (лр?пРои?сз), названное так, поскольку именно спин электрона (наравне с его зарядом) используется для электронной обработки информации. Как самостоятельное направление научных исследований и инженерных разработок спинтроника сформировалась только в конце ХХ века в результате накопления фундаментальных знаний и изготовления первых электронных приборов со спин-зависимым транспортом носителей заряда методами обычной микроэлектронной технологии и быстро развивающейся нанотехнологии.
Интерес к спиитронным электронным приборам обусловлен двумя обстоятельствами. Во-первых, ожидается, что характеристики таких приборов будут значительно лучше, чем у их полупроводниковых аналогов. Во-вторых, спинтронные приборы могут обеспечить элементную базу для реализации квантовых вычислений и основанных на них квантовых компьютеров. При этом они потребляют значительно меньшую мощность за счет того, что для переключения спина требуется гораздо меньшая энергия, чем для переноса заряда. Устройства спинтроники обладают высоким быстродействием, поскольку в них для переключения из одного состояния в другое достаточно лишь развернуть спин в обратном направлении, а не перемещать в пространстве заряд и связанную с ним массу, как в полупроводниковых структурах. Учитывая тот факт, что в природе возможны лишь две противоположные ориентации спинов носителей заряда (их условно обозначают как «спин — вниз» и «спин — вверх») определенная ориентация спина носителя заряда может быть использована в качестве одного бита информации.
Спиновые эффекты проявляются как в индивидуальном, так и в коллективном поведении носителей заряда в транспортных процессах в микроэлектронных и наноэлектронных структурах, помешенных в магнитное поле. Их главной характеристикой является 268 Гл а в а 3 . Перенос носителей зарлаа в низкоразмерных структурах...
магпитасапгзотивлепие (таяпегоггзигапсе) — относительное изменение электрического сопротивления материала нли структуры в магнитном поле. Количественно величина магнитосопротивления определяется как выраженное в процентах отношение ЬЯ/Яа, где ЛЯ = Яп — Щ ЬЯ вЂ” изменение сопротивления в магнитном поле; йв, Яп — сопротивление при нулевом и рабочем магнитном поле соответственно. Магнитосопротивление характеризует спиновые эффекты при диффузионном и баллистическом транспорте носителей заряда, а также при туннелировании. Положительное значение магнитосопротивления соответствует росту сопротивления в магнитном поле.
В отсутствии магнитного поля носители заряда движутся прямолинейно между двумя столкновениями (актами рассеяния), а в магнитном поле, приложенном перпендикулярно направлению электрического поля, их траектории приобретают форму циклоиды. Проходя то же расстояние между двумя столкновениями по циклоиде, они проходят меньшее расстояние в линейном направлении.
В магнитном поле напряженностью Н носители заряда за время свободного пробега продвигаются вдоль приложенного электрического поля на расстояние Е - л.в(1 — )з'Нз/2), где Еа и )з — длина свободного пробега и подвижность носителей заряда в отсутствие магнитного поля соответственно. В идеальном случае положительное магнитосопротивление должно возрастать пропорционально Н'. Отклонение от этой зависимости в наноструктурах связано с заметным спин-зависимым рассеянием носителей заряда.
В объемных материалах и в наноструктурах имеет место и отрицательное магнитосопротивление, т. е. уменьшение сопротивления в магнитном поле. Природа отрицательного магнитосопротивления различна: спин-зависимое рассеяние носителей заряда на примесях и кластерах дефектов, дипольное взаимодействие с этими дефектами, прыжковый перенос носителей заряда. Доминируюшую роль в переносе носителей может играть прыжковая проводимость за счет локализованных на магнитных примесях носителей.
Согласно модели Шкловского — Эфросаве, с увеличением напряженности магнитного поля сопротивление уменьшается пропорционально ехр( — АН'). Это связано с изменением вероятности захвата носителей заряда в локализованные состояния, что, в конечном счете, влияет на их подвижность. В.
В Вйгг!отзlггг) В.Л Яр!таге, Бсаггеппа апд 1пгегуегепсе рйепогпепа 1п тапаые гапйе Ьорр1пй сопдпсдоп, гп: Норр1пй Ггапзрон гп зо!мз, Е!тенет, Апгзгегдам, р. 271 (1991). 2б9 З.З. Спин-зависимый трансов т носителей з нда Следует иметь в виду — в экспериментах по измерению магнитосопротивления часто наблюдается его знакопеременное поведение— в слабых магнитных полях отрицательное магнитосопративление, а при увеличении напряженности магнитного паля — положительное. В реальных образцах знак и величина магнитосопротивления определяются суперпозицией названных явлений. Другим важным аспектом коллективного проявления спиновых эффектов в твердых телах является магнитооптическое взаимодействие, наиболее проявляющееся в магнитных полупроводниках.
Этой группе материалов наряду с типичными полупроводниковыми свойствами присущи и магнитные свойства, определяемые преимущественной ориентацией спинов носителей заряда. Примером таких материалов могут служить так называемые разбавленные магнитные полупроводники, представляющие собой классические полупроводники — СгаА8, Гй и др., в состав которых в значительных концентрациях введены атомы магнитных элементов, чаще всего марганца.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
