Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 63
Текст из файла (страница 63)
Там электроны с неосновным спином рассеиваются, а с основным, совпадающим с направлением намагниченности базы спином, проходят через нее и через барьер Шоттки и попадают в папупроводник. Так происходит фильтрация по спину горячих электронов, поступающих в полупроводник. На полупроводник наложено внешнее маг- 305 3.3. Саин-зависаний транспорт носителей заряда нитное поле, совпадающее по направлению с направлением движения электронов. Под действием напряжения У, приложенного между ферромагнитными областями Н и Г2, происходит прецессия спина движущихся электронов с ларморовской частотой. В результате спин электронов, приходящих в базу Г2, оказывается повернутым относительно первоначальной ориентации на угол йреВ 1.
гр = й (3.3.31) Впервые описан в работе: Р. Х Монзта, Х С. Хог(дег, Т. Х А. Рорта, В. Р!енр, Регрепг(ко!аг Ьо! е1есггоп вре-ча!че е!тес! !и а пет твапег!с бе!д зепзог: гье зр(п-ча1че !сап!олог, Рьуз. Кеч. (ег!. 74(26), 5260-5263 (1995). г! — !620 где д — д-фактор электронов; рв — магнетон Бора;  — индукция магнитного поля; А — толщина слоя полупроводника; р — скорость электронов в полупроводнике. В ферромагнитном слое )С2 электроны с ориентацией спина, совпадающей с направлением намагниченности этого слоя, проходят дальше в коллектор, а остальные рассеиваются и остаются в полупроводнике.
Прошедшие электроны образуют ток 1 между электродами 3 и 4. Угол гр определяется средней скоростью электронов (и) и им легко управлять соответствующим изменением напряжения У. Отметим, что поскольку область полупроводника имеет с обеих сторон барьеры Шоттки, напряжение У само по себе не обеспечивает протекание тока 1 Это напряжение лишь модулирует ток, определяемый напряжением У,. Так реализуется транзисторная функция рассмотренного спинового прибора. Следует иметь в виду, что угол поворота спина в этой конструкции зависит от скорости движения электронов, статистический разброс которой приводит к уменьшению эффективности модуляции выходного тока и наличию конечного тока утечки в выключенном состоянии прибора.
Экспериментальная проверка идеи устройства время-пролетного спинового транзистора показала, что при 37%-й спиновой поляризации инжектированных электронов глубина модуляции тока 1(отношение тока во включенном состоянии к току в выключенном состоянии) может достигать 7. Перспективы улучшения рабочих характеристик таких транзисторов связаны с увеличением спиновой поляризации инжектируемых электронов и с повышением эффективности их детектирования в коллекторе. Спин-вентмеьный транзистор (зргп-зга(ре Ггапзгз(ог)геев это трехконтактный прибор, по своей конструкции представляющий собой биполярный транзистор с металлической базой. Его Заб Глава 3.
Пе нос носителей за в низко зме нмх уктурах... Е~ ,-~-. 1 Сойн"венчнльнав х . Г'-'=-~ — в- ". « Коллектор« база б Рис. 3.53. Структура (а) и энергетическая диаграмма (б) спин-вентильного транзистора с эмитгером из Я вЂ” РГ, коллекюром из Я вЂ” Аи и спин-вентильной базой из М Ге — Ан — Со структура и энергетическая диаграмма схематически изображены на рис. 3.53. Базовая область транзистора содержит металлический многослойный спиновый вентиль, расположенный между двумя областями кремния с и-типом проводимости, которые играют роль эмиттера и коллектора.
В такой структуре «горячий» электрон, чтобы попасть из эмитгера в коллектор, должен пройти через спин-вентильную базу. Устройсгво спроектировано как обменная развязывающая спин-вентильная система, в которой два ферромагнитных материала (а именно — МГе и Со), имеющие разные коэрцитивные силы, разделены прослойкой из немагнитного материала (Аи). Из-за разницы коэрцитивных сил слои МГе и Со позволяют получить четко выраженную параллельную и антипараллельную ориентацию намагниченности в широком интервале температур.
Эти слои можно перемагничивать по отделыюсти соответствующим магнитным полем. На границах раздела между металлической базой и полупроводниками формируются барьеры Шотпги. Для того чтобы получить желаемый барьер высокого качества с хорошим выпрямляющим эффектом, на эмитгерной и коллекторной стороне размещены тонкие слои Рг и Ап соответственно. Они препятствуют непосредственному контакту магнитных слоев с кремнием.
Так как контакт Я/Рг образует высокий барьер Шотпси, он используется в качестве эмитгера. Коллекторный диод Шотпог формируется так, чтобы иметь более низкий барьер по сравнению с эмитгерным диодом. Например, контакт Я/Аи, лля которого барьер почти на 0,1 эВ ниже барьера для Я/Рг-контакта, очень хорошо соответствует этому условию. Для изготовления такого спин-вентильного транзистора применяется специально разработанная методика, которая включает в себя осажление металла падве кремниевые пластины и их последующее соединение в условиях ультравысокого вакуума.
звт З.З. Спин-зависимый т анена т носителей заряда Транзистор работает следующим образом. Между эмитгером и базой устанавливается такой ток (ток эмиттера 1,'», при котором электроны инжектируются в базу перпендикулярно слоям спинового вентиля. Так как инжектируемые элекгроны должны пройти через барьер Шотгки 51/Р1, они входят в базу как неравновесные горячие электроны. Энергия этих электронов определяется высотой эмитгерного барьера Шотгки, которая обычно составляет от 0,5 до 1эВ в зависимости от комбинации металл-полупроводник. Как только горячие электроны пересекают базу, они испытывают не- упругое и упругое рассеяние, которое изменяет и их энергию, и распределение по импульсам. Электроны способны войти в коллектор только в том случае, когда они накопили энергию, достаточную для преодоления энергетического барьера со стороны коллектора. Этот барьер должен быть несколько ниже эмитгерного.
В равной степени важно и то, чтобы для горячего электрона в коллекторе имелись доступные состояния с соответствующими импульсами. Количеспю поступающих в коллектор электронов и, следовательно, ток коллектора 1, существенно зависят от рассеяния в базе, которое является спин-зависимым. Ток коллектора регулируется путем переключения базы из согласованного по намагниченности низкоомного состояния в рассогласованное высокоомное состояние.
Так рассеяние носителей заряда управляется внешним магнитным полем. Магнитный отклик спин-вентильного транзистора, называемый магнитотоком (МС вЂ” та~пегосштепг), определяется как изменение тока коллектора, нормированное на его минимальное значение: (3.3.32) МС= 1 (вв) с В выражении верхние индексы отвечают состоянию спинового вентиля с параллельной (р) и антипараллельной (ар) намагниченностью магнитных слоев. Наиболее важное свойство спин-вентильного транзистора заключается в том, что его коллекторный ток существенно зависит от магнитного состояния спинового вентиля в базе. Типичная зависимость тока коллектора от приложенного магнитного поля показана на рис.
3.54. При больших полях два магнитных слоя имеют одинаковые направления намагниченности. При этом ток коллектора максимален. Когда направление внешнего магнитного поля меняется на противоположное, различие полей перемагничивания Со (22 Э) и )н(1Ее (5 Э) приводит к тому, что векторы намагниченности Со и Юге оказываются антипараллельными. В этом состоянии ток 30В Гл а за 3. Перенос носителей заряда в ннзкоразмерных отру ах... Рис. 3.54.
Ток коллектора в спин-вентильном транзисторе как функция напряженности внешнего магнитного поля. Сплошная линия соответствует изменению величины магнитного поля от 40 до — 40 Э, а пунктирная — от -40 до 40 Э, где знак «-» обозначает изменение направления магнитного поля на противоположное 12 оей В а е х а' ой о о 4 а а -40 -20 0 20 Магнитное поле, Э Впервые описан в: д чал Рйтвеп, Х уния, д д Р. Раггг!л, Ноппюпосопк Ьвав човаве «!ерепдепсе оггье шавпевосппеп! !и Оалв-ьавед аавпев!с шипе! ггапямогв, РЛув. Кеч. ! ец. 90, 197203 (2003).
коллектора резко уменьшается. Относительный магнитный отклик действительно велик, обеспечивая магнитоток около 300% при комнатной температуре и более 500% при Т = 77 К. Отметим, что различные механизмы рассеяния горячих электронов могут приводить к уменьшению магнитного отклика. Если ток утечки коллектора незначителен, то ток коллектора и маги итоток не зависят от напряжения обратного смешения, приложенного к коллекторному барьеру Шотгки. Это связано с тем, что напряжение между базой и коллектором не изменяет высоту барьера Шотгки относительно уровня Ферми в металле. Другими словами, энергетический барьер на пути выходящих из базы горячих электронов не изменяется.
Точно так же изменение эмиттерного напряжения или, соответственно, тока эми пера не влияет на энергию, при которой горячие электроны инжектируются в базу. Как следствие, ток коллектора пропорционален току эмиттера, но его величина на несколько порядков ниже. Важным преимуществом спин-вентильного транзистора является наличие сравнительно большого магнитного эффекта даже при комнатной температуре и слабых магнитных полях (несколько эрстед). Несмотря на низкий коэффициент усиления по току это делает такой транзистор уникальным спинтронным прибором с широкими перспективами для использования в магнитной памяти и датчиках магнитного поля, где коэффициент усиления по току не столь важен.
Магнитный т3чпнельный транзистор (тадпег)с ГиппеГГпХ Ггапдулгог)не, как и представленный выше спин-вентильный транзистор, представляет собой вариант биполярного транзистора с ме- 3.3. Сала-зависимый трансларт иасителеа заряда Рнс. 3.55. Основные функциональные элементы и энергетическая диаграмма магнитного туннельного транзистора гзам коляаь с таллической базой. Работает он на горячих электронах. Его структура и энергетическая диаграмма показаны на рис. 3.55 В качестве эмиттера электронов используется ферромагнитный сплав Соре, отделенный от базы из того же материала диэлектриком из А1,0з туннельной толшины.
Такой эмитгер обеспечивает инжекцию в базу спин-поляризованных электронов с энергией в несколько электронвольт, т. е. горячих электронов. Геометрические размеры металлических областей эмиттера и базы выбраны таким образом, чтобы коэрцитивная сила в базе была ниже коэрцитивной силы в эмитгере. Для этого отношение ллины базы к ее ширине (аспектное отношение) должно быть меньше, чем у эмнпера, что обеспечивает перемагничивание базы при меньших напряженностях внешнего магнитного поля. Коллектор из СзаАв отделен от металлической базы барьером Шоггки.
Направление намагниченности базы, контролируемое внешним магнитным полем, при неизменном направлении намагниченности эмиттера управляет соотношением между токами базы и коллектора. Параллельная однонаправленная намагниченность обеих областей вызывает максимальный ток коллектора и минимальный ток базы. При противоположной намагниченности ток коллектора минимален, а ток базы максимален. Следует отметить, что современное понимание спин-зависимого транспорта горячих электронов в ферромагнитных тонкопленочных структурах остается все еще неполным.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
