Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 62
Текст из файла (страница 62)
3.50. Управляемая квантова напряжения на затворе при лвух р нос число $ Е со Напряжениенааатворе я точка(а) и ее проводимость как функция азличных низких температурах(б).л — чет- ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. В чем суть эффекта Кондо? 2. Какие физические процессы лежат в основе эффекта Кондо в металлах с магнитными примесями? ется квазинепрерывным. В квантовой же точке могут существовать только стоячие электронные волны, а энергетические уровни квантуются вследствие эффекта квантового ограничения.
Это приводит к диаметрально противоположному характеру температурных зависимостей проводимости квантовой точки и объемного металла с магнитной примесью. На рис. 3.50, 6 показано изменение проводимости квантовой точки как функции напряжения на затворе, регулирующем число электронов, заключенных в точке при двух различных низких температурах. Когда в квантовой точке закшочено четное число электронов (и, л + 2, и + 4, ...), ее проводимость при понижении температуры уменьшается, что указывает на отсутствие эффекта Кондо. При нечетном числе электронов (и + 1, и+ 3, ...), когда эффект Кондо имеет место, паблик(ается рост проводимости.
Подобно сопротивлению массивного образца в кондо-состоянии, проводимость квантовой точки зависит только от отношения Т(Т». При очень низкой температуре проводимость приближается к своему квантовому пределу 2ез/Ь. Это указывает на то, электроны проходят через точку насквозь, т. е. эффект Кондо делает квантовую точку полностью прозрачной. Эффект Кондо может также наблюдаться и в квантовых точках с четным числом электронов, но для этого образец нужно поместить в магнитное поле, чтобы добиться расщепления электронных состояний по спинам и заполнения соответствующих уровней энергии. Звт З.д Спин-Зависаний транспо т носителей заряда 3.
Что такое температура Кондо? 4. Какое явление называют конло-резонансом? 5. Каковы условия наблюдения эффекга Кондо в квантовых точках? 6. Как изменяется проводимость квантовой точки с понижением температуры при наличии эффекта Конао? 3.3.6. Спннтронные приборы Разработанные спинтронные приборы основаны на эффектах гигантского магнитосопротивления н спин-зависимого туннелирования, закономерностях инжекции, переноса и детектирования спин-поляризованных носителей заряда в полупроводниковых структурах. В этих устройствах изменение направления намагниченности осуществляется посредством собственного внутреннего или внешнего магнитного поля. Примеры таких приборов рассмотрены в данном подразделе. Их главными практическими достоинствами являются работоспособность при комнатной и повышенных температурах и более высокая по сравнению с полупроводниковыми аналогами радиационная стойкость.
Следует иметь в виду, что перечень возможных спинтронных приборов не ограничивается только приведенными примерами. Большое количество предложенных и теоретически обоснованных приборов все еще ожидает экспериментальной проверки. 3.3.3. 1. Слиноаыо транзисторы Разработано несколько конструкций транзисторов на основе спиновых эффектов.
В них области полупроводника выполняют те же функции, что и в классических биполярных и униполярных полевых транзисторах, но с разной эффективностью для электронов с разной ориентацией спинов. Наибольший интерес представляют спиновой полевой транзистор, время-пролетны й с пи новой транзистор, спин-вентильный транзистор, магнитный туннельный транзистор. Слиновой нолевой транзистор (зр!п 1)еЫ-енес( Ггапзсз(ог)!07 появился первым в семействе спиновых транзисторов. Он построен по принципу полевого транзистора (рис. 3.51), у которого исток и сток выполнены из ферромагнитного материала и намагничены в направлении протекания тока в канале.
Для управления проводимостью канала предложено с помощью затвора управлять прецессией спинов электронов во встроенном поле, связанном с инверсной асимметрией ограничивающего потенциала в канале, т. е. использовать эффект Рашбы. Впервые описан в работе: х юапа, В. юаз, е)ее!то(с вов1оа ог !ье е!есооовис тобо!в!оп АРР1. Рьуз. (ян. 56(7), 665-667 (1990).
302 Гл а на 3. Перенос носителей заряда в низко зверина структурах... Рис. 3.51. Структура спинового ", з ~~,!,,',.!!~~":.')~н полевого транзистора ео. в Предполагается, что исток инжектирует электроны со 100%-й спиновой поляризацией. Аналогично и сток — идеальный детектор спинов. Оба этих электрода сконструированы так, чтобы их магнитное поле не проникало в канал транзистора.
В идеальном случае канал транзистора должен быть выполнен в виде квантового шнура. Одномерный канал имеет преимушество перед традиционным двумерным, поскольку последний никогда не «выключается» полностью из-за того, что эффективность воздействия потенциала затвора на спин электронов зависит от направления движения этих электронов.
В двумерном канале скорость движения электронов имеет две составляющие — вдоль и поперек канала. Так, при полном выключении потока электронов с вектором скорости только в одном направлении не «выключаются» электроны с составляющей вектора скорости в перпендикулярном направлении. В результате транзистор с двумерным каналом неизбежно имеет конечный ток утечки в выключенном состоянии. В отличие от него транзистор с одномерным каналом, в котором вектор скорости электронов имеет только одну составляющую, а именно в направлении движения электронов, может быть выключен полностью. Другое преимущество одномерного канала связано с существенным подавлением в нем основных механизмов релаксации спинов электронов. Функционирование спинового полевого транзистора, сконструированного с учетом перечисленных требований, происходит следующим образом. Исток инжектирует электроны с направлением спина вдоль канала — в направлении оси ~ (см.
рис. 3.51). При отсутствии напряжения на затворе инжектированные электроны без изменения спина полностью попадают в стоковую область прибора. Подача на затвор напряжения приводит к появлению электрического поля в направлении оси у, которое индуцирует спин-орбитальное взаимодействие (эффект Рашбы) в канале транзистора. Это вызывает появление магнитного поля, взаимно перпендикулярного одновременно и направлению движения электронов, и направлению электрического поля, т. е. в направлении оси х.
Величина магнитного поля определяется величиной поданного на затвор напряжения. Это магнитное поле вызывает прецессию спинов движущихся к сто- ЗВЗ 3.3. Спин-зависимый гп ноно т носителей заряда ку электронов (ларморовскую прецессию) в плоскости у — 2. Скорость прецессии не зависит от скорости движения электронов.
Поэтому, акты рассеяния в канапе, приводящие к изменению скорости движения электронов, не влияют на прецессию спина. Спины всех электронов, пришедших к стоку, поворачиваются на один и тот же угол гр относительно своей начальной ориентации по выходе из истока: ф =2аг то Е А/й', (3.3.29) где сг, — коэффициент спин-орбитального взаимодействия (постоянная Рашбы) в канале; те — эффективная масса электронов в канале; Š— электрическое поле в у-направленни; Š— длина канала. С учетом поворота спина электронов в канале плотность электронного тока через канал: У =Хо соз'(ф/2); (3.3.30) Уо = ~г)Е~Х(Е-Ея)-3(Е+еК„-Е,.)~, ~ о Впервые описан в работе: й Аррейуаит, 27. Х Монета, Тгапо)г-г|тЕ зР)п ае)д-еяесг пеппиог, Арр).
РЬ)п. 1еп. 00, 26250) (2007). где $' — напряжение исток — сток; ЯŠ— Е„) и ЯЕ + еога — Ег)— распределения Ферми — Дирака; Š— энергия электронов в канале; Š— энергия Ферми в истоке. Ток в истоке достигает максимума, когда напряжение на затворе обеспечивает поворот спина на угол ф = пя, где и — целое четное число или О, и снижается до нуля, когда и — целое нечетное число. Так изменением напряжения на затворе удается управлять током в стоке без изменения концентрации носителей заряда в канале.
Несмотря на убедительное теоретическое обоснование, спиновой полевой транзистор пока не реализован практически. Основной трудностью является необходимость создания инжектора и детектора со 100%-й спиновой поляризацией электронов. Кроме этого, эффективное управление углом поворота спинов электронов в канале требует, чтобы структурная инверсная асимметрия потенциала в канале преобладала над инверсной асимметрией потенциала кристаллической решетки материала канала. Время-нролетный сиинвввй гнринзиствр (гганзй йте зрел ггалзгзгог)'оо явился практической реализацией рассмотренной выше идеи управления углом прецессии спина электронов в проводящем канале. В нем создается постоянное магнитное поле в про- зве Гл а в а 3.
Перенос носителей заряда в ннзкоразмерных структурах... г1 Рне. 3.52. Основные функциональные элементы и энергетическая диаграмма время-пролетного спинового транзистора водящем канале из полупроводникового материала, а скорость движения электронов управляется внешним электрическим потенциалом. В этих условиях модуляция скорости движения электронов контролирует прецессию спинов движущихся в канале электронов. Хотя авторы и назвали свою конструкцию «время-пролетный спиновой палевой транзистор», по устройству и принципу действия основных элементов он ближе к тралиционному бинадярному транзистору.
Энергетическая диаграмма, иллюстрирующая устройство и принцип работы время-пролетного спинового транзистора показана на рис. 3.52. В отличие от традиционных транзисторов это четырехвыводной прибор. Инжектор спин-поляризованных электронов сконструирован в виде трехслойной туннельной структуры немагнитный металл/диэлектрик/ферромагнетик. При приложении напряжения г; между контактами! и 2 горячие электроны (электроны с энергией несколько эВ) с обеими ориентациями спинов инжектирукпся из немагнитного металла в намагниченную ферромагнитную базу (Г1).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
