Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике (1051254), страница 31
Текст из файла (страница 31)
При этих условиях создается инверсная населенность на уровне 3 и возможна генерация.Для непрерывной работы лазера необходимо постоянно инжектировать электроны на уровни 3 и отводить их суровней 1. Инжекция и отвод осуществляются через инжекторные области посредством резонансного туннелирования через входной и выходной барьеры (рис. 7.16а,б).Инжекторные области — это сверхрешетки.
В сверхрешетках размерные уровни отдельных ям расширяются вминизоны (см. п. 7.5.3). В электрическом поле возможеннаклон минизон или даже их исчезновение изза расхождения уровней в соседних ямах. Чтобы этого не происходило, в инжекторе ширина ям последовательно уменьшается,и получаются горизонтальные минизоны (см. рис. 7.15).Толщина слоев в сверхрешетке подбирается так, чтобы навыходе из активной области электроны с уровней 1 или 2туннелировали в минизону, а против уровня 3 была запрещенная минизона и утечка электронов с уровня 3 оказывалась невозможной. Величина электрического поля выбирается таким образом, чтобы дно минизоны совпадало суровнем 3 следующей активной области. Кроме того, минизоны сужаются к барьерам инжекции; электроны идут кочередной активной области как по воронке, что условноотражено формой заштрихованной части рис.
7.16.174НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьЭлектроны, испустившие излучение в активной облас#ти, туннелируют в сверхрешетку через выходной барьер,пролетают по сверхрешетке посредством резонансных тун#нельных переходов, передавая избыточную энергию ееатомам, переходя на уровень у дна мини#зоны и туннели#руют на уровень 3 следующей активной зоны. Выборомширины ям и барьеров в активной области обеспечивает#ся наибольшая вероятность нахождения электронов науровне 3 в первой и второй ямах, а на уровнях 2 и 1 — вовторой и третьей ямах, что повышает эффективность ин#жекции и отвода носителей заряда.Приведем пример ширины ям и барьеров для одного издействующих лазеров (его энергетическая диаграмма данана рис. 7.16). Для активных областей крайние барьеры —входной и выходной.
При этом входной барьер имеет ши#рину 5 нм, выходной — 3 нм, а потенциальные ямы — 1,0;4,7; 4,0 нм, промежуточные барьеры — 5,0; 1,5; 2,2; 3,0 нмсоответственно. В инжекторной области ямы имеют разме#ры 2,3; 2,2; 2,0; 2,0; 1,9; 1,9 нм, а барьеры — 2,3; 2,2; 2,0;2,3; 2,28 нм. Если в каскадном лазере N ступеней, то каж#дый электрон, пройдя весь каскад, создает N фотонов (поодному на каждой ступени). Приведенный пример иллю#стрирует, сколь высоки требования, предъявляемые к ме#тодам выращивания приборных многослойных нанострук#тур. Лазерная структура наращивается послойно методоммолекулярно#лучевой эпитаксии на подложке InP. Толщи#на всех слоев должна выдерживаться с атомной точностью.Разработаны также инфракрасные лазеры на межзон#ных переходах в сверхрешетках с более сложным энерге#тическим профилем на основе соединений In, Ga, Al, Sb.7.6.ОДНОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА7.6.1.ОДНОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫОдноэлектронными называются приборы, в которыхконтролируется перемещение одного электрона или малого их количества.
Как уже отмечалось в главе 6, эти уст#ройства представляют особый интерес в связи с прибли#Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ175жением технологии к пределу миниатюризации элемен#тов классических интегральных микросхем. Одноэлек#тронные приборы обеспечивают дальнейшее увеличениебыстродействия, снижение габаритов и энергопотребле#ния электронной аппаратуры. В этих приборах перемеще#ние электронов происходит посредством туннельного эф#фекта. Так как время туннелирования мало, то пределбыстродействия высок (1014 Гц).
Работа, необходимая дляперемещения одного электрона, мала — энергопотребле#ние и тепловыделение должны быть низкими (теоретиче#ски ~10–8 Вт для одного элемента).В настоящее время созданы транзисторы, в которыхпереключение происходит под действием одного электро#на, и запоминающие устройства, в которых носителем битаинформации является один электрон. Для сравнения: всовременных устройствах переключение (переход междусостояниями «0» и «1») требует не менее 105 электронов.Принцип действия одноэлектронного транзистора,основан на явлении кулоновской блокады.7.6.2.КУЛОНОВСКАЯ БЛОКАДАТУННЕЛИРОВАНИЯКулоновской блокадой называется отсутствие токачерез туннельный переход при наличии внешнего напряжения, если туннелированию электронов препятствует их кулоновское взаимодействие.Рассмотрим туннельный переход «металл (М1)–ди#электрик (D)–металл (М2)» (см.
рис. 7.17). Пусть перво#начально система не заряжена. Систему можно рассмат#ривать как конденсатор с некоторой емкостью С. Если пе#ренести электрон е– с пластины М1 на М2, то конденсаторокажется заряженным. Перенос заряда требует энергииDЕ, так как происходит против сил взаимодействия с по#ложительным зарядом, возникающим на пластине М1(см. рис. 7.17а). Эта энергия равна энергии заряженногоконденсатора:e21E 2.2C176НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьабРис. 7.17Схема, поясняющая механизмкулоновской блокадыпри туннелировании электродаВеличина DЕ называется энергией одноэлектроннойзарядки.Если приложить к пластинам напряжение U (как этопоказано на рис. 7.17б) и постепенно увеличивать его, тона пластинах станут накапливаться заряды.
При этом донекоторого значения U = Uk туннельный ток через переходне возникает, так как работа сил поля источника напряже/ния при перемещении электрона с пластины М1 на пласти/ну М2 по величине остается меньше работы против куло/новских сил отталкивания. Иными словами, протеканиютуннельного тока препятствует кулоновская блокада.Блокада будет «прорвана», когда напряжение U дос/тигнет значения Uk, определяемого соотношением:e2 т. е.eUk 1.eUk 1,2C2CНапряжение Uk называется напряжением кулоновскойблокады. После «прорыва блокады» туннелирует одинэлектрон, затем снова накапливается заряд на пластинахи т.
д. Электроны туннелируют через переход по одному.Наблюдение эффекта кулоновской блокады возможнов условиях, когда энергия теплового движения электроновнедостаточна для преодоления блокады, т. е. DЕ ? kТ, илиe2C1.2kTПодставив в последнее неравенство значения е и k, полу/чим, что для наблюдения эффекта кулоновской блокадынеобходима емкость С = 9 × 10–16 Ф при 1К и С = 3 × 10–18 Фпри 300 К. Для наглядности оценим радиусы сфер с соот/ветствующими значениями С. Как известно, Ссф = 4pee0r.Часть 3.
ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ177Полагая e = 10, получим r1К = 0,8 мкм, r300К = 2,7 нм. Таким образом, блокаду можно наблюдать или при температурах ниже гелиевых, или при очень малых емкостях.В обычных условиях DЕ пренебрежимо мало, так как С велико. Если Т = 300 К, то устройство типа изображенногона рис. 7.17б должно для проявления кулоновской блокады иметь пластины (1) и (2) размером порядка нескольких нанометров, если толщина диэлектрика (D) составляет примерно 10 нм.Второе условие наблюдения кулоновской блокады —энергия одноэлектронного заряда DЕ должна превышатьквантовые флуктуации энергии12E1 3 ,4где t = RTC — время зарядки конденсатора, а RT — сопротивление туннельного перехода: DE ? DE¢.
Последнее условие можно переписать в виде: RT ? 4RC, где RC — квантсопротивления1 R 3 h 4 6,45 кОм 2.5 C64e2787.6.3.КУЛОНОВСКАЯ БЛОКАДАВ СТРУКТУРАХ С ДВУМЯТУННЕЛЬНЫМИ ПЕРЕХОДАМИВ приборных структурах одноэлектроники используют два туннельных перехода, чтобы ослабить шунтирующее действие подводящих проводов.На рис.
7.18а показан конденсатор с двумя туннельными переходами. Металлическая гранула (остров) 1 помещена в диэлектрическую среду (заштрихована) междудвумя соединенными металлическими пластинами 2. Остров и пластины образуют две обкладки сложного конденсатора емкостью С. Так же, как и в предыдущем случае,перенос электрона с пластин на остров (или наоборот) требует энергииe21E 2.2CНа рис.
7.18б приведена схема для наблюдения кулоновской блокады. Металлические пластины «Иc» и «Cт»178аНАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьбРис. 7.18Структура, включающая два электродаи расположенный между ними в диэлектрической среде наноостровок в отсутствие (а) и при наличии (б) разностипотенциалов между электродаминазываются «исток» и «сток»; «О» — металлический ост!ров; заштрихованы туннельные барьеры (диэлектрик).На рис.
7.19а,б,в приведены энергетические диаграм!мы, поясняющие эффект кулоновской блокады. В состоя!нии равновесия, U = 0, уровни Ферми истока, острова истока ( EFис , EF0 , EFст соответственно) находятся на однойвысоте; тока в структуре нет. Символами EF01 , EF02 обо!значены уровни Ферми острова при удалении с него элек!трона и добавлении электрона соответственно;e2EF01 1 EF02 3 24E 3C(рис. 7.19а).Рис.
7.19б иллюстрирует случай, когда между истокоми стоком приложено напряжение U1, которое не можетвызвать туннелирования, и ток в цепи равен нулю. Элек!троны начинают туннелировать с истока на остров, а за!тем с острова на сток при некотором критическом значе!нии напряжения Uk (рис. 7.19в). В цепи появляется ток J,ток растет при дальнейшем увеличении U.Вольт!амперная характеристика структуры показанана рис.
7.20а. Подаваемое напряжение измеряется едини!абвРис. 7.19Энергетические диаграммы, поясняющие принцип работыэлемента на основе эффекта кулоновской блокады179Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИабРис. 7.20Вольтамперные характеристики элемента,работающего на основе эффекта кулоновской блокадыцами милливольт, одноэлектронный туннельный ток со"ставляет десятки наноампер.Когда напряжение U соответствует рис. 7.19в, электро"ны туннелируют и проходят через остров по одному.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
