Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике (1051254), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Покана острове есть один добавочный электрон, другой не мо"жет туда проникнуть из"за кулоновского отталкивания.Если при увеличении U между EFис и EFст окажется не"сколько зарядовых состояний острова, то возможны муль"тиэлектронные переходы. Но если один из барьеров будетзначительно более толстым, то электроны снова будут про"ходить через остров по одному.Когда один из барьеров значительно толще другого, вольт"амперная характеристика структуры имеет вид, показанныйна рис. 7.20б, и называется «кулоновской лестницей».7.6.4.МЕТАЛЛИЧЕСКИЙОДНОЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНЗИСТОРМеталлический одноэлектронный транзистор работа"ет на эффекте кулоновской блокады.
Как и в обычном тран"зисторе, имеется три электрода: исток («Ис»), сток («Cт»)и затвор («З») — см. рис. 7.21. Между истоком и стокомприложено небольшое напряжение U. Напряжение меж"ду истоком и затвором равно UЗ, на затвор подается «+».На рис. 7.22 приведены энергетические диаграммы,поясняющие работу транзистора. Обозначения такие же,как на рис. 7.19. Цифры над уровнями Ферми острова(–1, 1, 2, ...) означают число электронов, перешедших наостров с истока. При этом заряд острова составляет –e, –2e,–3e..., соответственно; (–1) означает, что электрон удален сострова.
Заряд острова в таком случае равен +е.180НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьРис. 7.21Принципиальная схематранзистора, работающегона эффекте кулоновскойблокадыабвгРис. 7.22Энергетические диаграммы, поясняющие работу транзистора,схема которого представлена на рис. 7.21Поле положительно заряженного затвора смещает уров$ни острова вниз (уменьшает энергию электронов острова).Если напряжение UЗ = 0, то хотя EF 1 EF (рис. 7.22а), ку$стислоновская блокада подавляет туннелирование электронов систока и поэтому J = 0. При UЗ = UЗК (рис.
7.22б) кулонов$ская блокада прорвана, электроны туннелируют с истока наостров, а затем на сток — в цепи появляется ток J. При даль$нейшем увеличении напряжения UЗ и смещении уровня (1)вниз снова возникает блокада (рис. 7.22в), ток отсутствует,но на острове находится один добавочный электрон. ПриU = UЗ2 ток возникает снова.По мере увеличения UЗ блокада периодически насту$пает и прорывается, но с каждым разом увеличивается наединицу число электронов на острове.
Эти электроны на$ходятся на острове стабильно, а туннелирующие электро$Рис. 7.23Зависимость тока отнапряжения на затворе длятранзистора, работающегона эффекте кулоновскойблокадыЧасть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ181ны проходят через остров по одному. На рис. 7.23 показанвид зависимости тока от напряжения на затворе транзи#стора.
Возникающие скачки тока называются осцилляциями кулоновской блокады. Напряжение UЗ имеет порядокединиц милливольт, ток составляет десятки пикоампер.Таким образом, транзистор может находиться в состоя#ниях «включено» и «выключено» в зависимости от напря#жения на затворе. Поэтому одноэлектронный транзисторможет использоваться как переключатель. При прохож#дении электрона сменяются состояния «включено» и «вы#ключено». Теоретически время туннелирования равно~10–15 с, этим определяется верхний предел быстродейст#вия прибора (ТГц). Так как одноэлектронный транзисторможет находиться в двух состояниях, то на его основе мо#гут быть созданы ячейки памяти с малыми размерами,высоким быстродействием и низким энергопотреблением.Проекты таких ячеек уже имеются.В этом разделе рассмотрен металлический транзистор.Разработано и реализовано много вариантов полупровод#никовых одноэлектронных транзисторов.
В таких тран#зисторах островом служит квантовая точка, отделеннаяобедненными областями#барьерами от истока и стока.Подобный транзистор можно реализовать в едином кри#сталле (см. п. 8.6).В настоящее время в ряде лабораторий получены образ#цы одноэлектронных полупроводниковых и металлическихтранзисторов, работающих при комнатной температуре.7.7.НЕКОТОРЫЕ ЯВЛЕНИЯИ УСТРОЙСТВА СПИНТРОНИКИ7.7.1.СПИНТРОНИКАСпинтроника — направление наноэлектроники, вкотором для представления и обработки информациинаряду с зарядом используется спин электрона.В современной электронике уже есть устройства, рабо#тающие на спиновых явлениях.
Это, например, выпускае#мые фирмой IBM считывающие головки для магнитных182НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьдисков и новый тип магнитной памяти — MRAM (magnetic random access memory — магнитная память с произвольной выборкой).
Устройства работают на эффекте гигантского магнитосопротивления.7.7.2.ГИГАНТСКОЕМАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЕМагнитосопротивлением называется эффект изменения электропроводности материала при помещенииего в магнитное поле. Это явление в металлах известнодавно и объясняется тем, что электроны проводимости вмагнитном поле под действием силы Лоренца должны двигаться по спиральным траекториям, что приводит к уменьшению подвижности носителей заряда. Магнитосопротивление в металлах наблюдается в сильных полях при низких температурах.В 1988 г.
был обнаружен аналогичный, но гораздо более сильный эффект в гетероструктурах, состоящих изчередующихся наноразмерных слоев магнитного и немагнитного металлов, например Fe/Cr, Co/Cu, NiFe/Cuи др. В различных гетероструктурах сопротивление может изменяться в пределах от 6 до 100%, что значительно больше, чем для обычного магнитосопротивления втех же условиях. Так, сопротивление чередующихся слоев Fe(3 нм)/Cr(0,9 нм) изменяется в два раза при переключениях магнитного поля. Поэтому этот эффект назван «гигантским магнитосопротивлением» (ГМС).Сущность эффекта ГМС поясняется на рис. 7.24, гдеизображены чередующиеся нанометровые слои магнитного и немагнитного материалов, например Со, Cu, Co.Есть два варианта проявления эффекта.
Первый вариант — ток перпендикулярен слоям структуры (рис. 7.24а,б).Когда ферромагнитный материал намагничен, магнитныемоменты его атомов имеют одинаковое направление (вертикальные стрелки на рис. 7.24а,б). Неполяризованные поспину электроны из внешней цепи (ток J), проходя черезпервый ферромагнетик, приобретают такое же направление спина (). Ток становится спинполяризованным (J).Если второй ферромагнетик намагничен в том же направ183Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИабвгРис. 7.24Схемы, поясняющие механизм ГМСлении (рис.
7.24а), ток J свободно входит в слой этогоферромагнетика и сопротивление структуры мало. Еслинамагниченности ферромагнитных слоев ориентированыпротивоположно (рис. 7.24б), то спин'поляризованныеэлектроны отражаются от второй границы, сопротивле'ние структуры велико.Тип магнитных материалов первого и третьего слоевне имеет принципиального значения для проявления эф'фекта. В практических применениях используют магни'томягкий и магнитожесткий материалы для того, чтобыпод действием внешнего магнитного поля изменял направ'ление намагниченности только один из них.Второй вариант эффекта — ток проходит вдоль слоевструктуры (рис.
7.24в,г). Если намагниченности ферромаг'нитных слоев антипараллельны, происходит сильное рас'сеяние носителей заряда на поверхностях раздела и, крометого, сужается канал прохождения тока (рис. 7.24в). В ре'зультате сопротивление структуры увеличивается. Еслинамагниченности слоев параллельны (рис. 7.24г), то обаэти фактора не проявляются и сопротивление значитель'но уменьшается. На практике в ГМС'элементах чаще ис'пользуется второй вариант эффекта, так как сопротивле'ние нанометровых слоев в направлении, перпендикуляр'ном слоям, очень мало.184аНАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьбвРис.
7.25Направления линийвектора магнитной индукцииодного домена (а)и на границе двухдоменов (б) и (в)Таким образом, сопротивление структуры можно суще#ственно изменять переключением внешнего магнитногополя. ГМС#структуры реагируют на очень малые измене#ния внешних полей, например при переходе от магнитно#го домена1 одной ориентации к домену противоположнойориентации. На этом основано действие считывающихГМС#головок.Принцип считывания. Цифровая информация (в видебитов) хранится на магнитных дисках или лентах в видедоменов. При записи намагниченность каждого доменапринимает одно из двух направлений, например ® или ¬.Если первое направление отождествить с «0», то второебудет отражать «1».
Магнитное поле домена практическине выходит за пределы внутренней области домена, за ис#ключением участков вблизи полюсов.На рис. 7.25а показаны линии вектора индукции маг#нитного поля B одного домена; на рис. 7.25б,в приведе#ны направления результирующего поля Bрез на стыкахдвух доменов.Именно Bрез считывается ГМС#головкой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
