Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 102
Текст из файла (страница 102)
В атьтернативной конструкцт~и поверх и ниже лежащего слоя материала, образующего квантовую яму, наносятся опек~роды определенной формы Если на эти электроды пода~ь напряжение, то электростатическое поле вытолкнет электроны из нижележагцего слоя везде, за исключением малых островков — — квантовых точек. Квантовым запиранием электронов в островках можно управлять напряжением электродов. Часть )1. Микроалектроннк «а б) Рнс. 19.9. Квантовая точка, управляемая электродами (а], и квантовая точка в виде столбика 161 15.6.
Квантовые эффекты в наноструктурах 15.6.1. Одноэлектронное туннелирование Одноэлектронное зуннелнрование впервые было предсказано профессором К1ГУ К. К. Ли- харевым в 1986 году. Рассмотрим туннельиый переход между двумя металлическими контактами н тонким слоем диэлектрика между ними.
По сути дела это плоский конденсатор емкостью С, на обкладках которого находится заряд Д. Энергия, запасенная втаком конденсаторе, равна дг е= —. 2С (15.6) Изменение емкости конденсатора происходит дискретно, и минимальное значение изме пения энергии определяется так: Ле = —, г) 2С гаагу — заряд электрона. С одной стороны. для наблюдения эффекта туннелирования необходимо. чтобы Лб » ~ где )г — постоянная Больцмана, Т вЂ” температура Тогда для таких темггера"У" г 1) =1) г 2С)гт.
ос, аквантоваа епиницасопРотивленнЯЯ» Яо= — )г!4д'--6,45 кОм. С другой с~ороны, необходимо, чтобьг /го бе» вЂ”, Г' моск ь рахова ( провоггнм проходящих процессов опр п еде где О = глах1О„О,), Г),— проводимость шунтируюшего туннельного перехода. В этом случае 0 «Л„' и частоты ляются из соотношения т =- )1С, а аж «! . Исследования показали, что в каждой точке можно запирать по одному электрону, добав. ляя илн вычитая по одному электрону за один процесс, что аналогично биту в цифровон технике.
4В5 15 Ог микро- и наноэлекгронике Оажнейшим предположением теории одноэлсктронного туннелирования является тот ф кт, что начальный заряд До может быть отличен от нуля и принимает значения, крат„,о целому числу электронов. )(ля обеспечения процесса туниелирования через переход необходимо преодолеть силу .,поповского отталкивания электронов. Это так называемый эг)згрскиг кулоноаской блокады. К логювская блокада представляет собой явление отсутствия тока при приложении над яжения к туннельному переходу из-за невозможности туннелирования электронов вследсгвие их кулоновского отталкивания.
Для преодоления кулоновской блокады нсоб„одимо приложить к переходу напряжение Ь'„к '— ' г) г' 2С Нроцесс протекания тока через одиночный туннельный переход происходит в несколько сталигл. На первой стадии в начальный момент времени граница между металлом и диэлектриком является электрически нейтральной. Электрический ток является вели ~иной непрсрыв„ой Для его поддержания необходилю на одной стороне туннельного перехода накопить определенный заряд. На рис. 15.10 представлен процесс одноэлектронного туннелирования в условиях кулоновской блокады.
Здесь можно провести аналогию с каплей воды, отрываюшейся ат края трубки, предложенную К. К. Лихаревым. На второй сталин к металлическим обкладкам прикладывается электрический потенциал и на границе раздела начинает накапливаться заряд.
На параллельной схеме начинает формироваться капля. В ходе третьей стадии происходит накопление заряда до тех пор, пока его величины не будет достаточно лля возникновения туннелирования одного единственного электрона через диэлектрик. а) б) Рис. 10.10, стадии процесса олноэпвктронного туннепироввния (в) и аналог образования капли в трубке(б) Часть И. А4икроэлект)зонина 486 На четвертой стадии после акта туннелирования система возвращается в первоначально состояние. При сохранении внешнего приложенного напряжения цикл повторяется внов Перенос заряда в такой стрултуре осуществляется порциями, по одному электрону, г)ас тога перехола определяется величиной ,Т= 779, где 1 — ток через переход.
Такие осцилляции называются одноэлектроякыин туяяелвр еояяыяи> осянлля ноях>к (БЕТ, Бйпр1е Е)ее!гоп Тцппе1 !ад). на конструкцию одноэлектронных приборов накладываются жесткие условия на емкость прибора: С д>7 2ЕТ. Подставив численные значения, получим, что при температуре Т= 4,2 К необходимо создать емкость С«2к!О'" Ф, лля 7'= 77 К вЂ” С «1О ' Ф, а для Т=ЗОО К вЂ” - Зх10 цй> или 0,1 — 1,0 аФ (аттоФарада).
В системе с одним переходом технологически невозможно осуществить процесс одно- электронного туннелирования. 15.6.2. Транспортный эффект Аароноаа — Бема Трипспсряшьп> эффект был открыт в 1959 году Якиром Аароновым и Дэвидом Бомом. Суть эффекта Ааронова — Бома (ЭАБ) заключается в том, что внешнее электромагнитное поле, сосредоточенное в недоступной для заряженной частицы области.
влияет на квантовое состояние этой частицы. Этот эффект проявляется в сдвиге фаз вдоль различных возможных путей распространения частицы, Эффект суц>ествует как для скалярного, так и векторно~о потенциала электромагнитного поля. Эффект люжно набл>одать, используя следующую экспериментальную схему (рис. 15.11). Поток электронов в плоскости "а — а" расщепляется таким образом, чтобы его составляющие огибали магнитный поток с двух сторон. В плоскости "Ь вЂ” Ь" пучки соединяются, н происходит нх взаимная интерференция, Относительная фаза электронов в обоих электронных потоках определяется магнитным потоком соленоида Ф. Магнитный поток может менять интерференционную структуру суммарного потока.
Соответственно меняется электронный ток и проводимость структуры. Сгенерируем и пропустим через плоскость "а — и" два электрона, волновые функци~ котоРых имеют одинаковые начальные фазы, а также начальные (,4,(0) и Аз(0)) и конечны~ (А>(Е) и А,(Е)) амплитуды.
В плоскости "Ь вЂ” Ь" коэффициент прохождения имеет вил: А ,.(0)ехр(УК>Е)+ Аз(0)ехр(/К,Е) .4,(0) + А,(0) Рис. 1641. Схема няблк>ленив эФфеята Аароновв — Бема 4о7 1б От микро- к наноэлекгронике рели а плоскости "о — — а" электроны находились а одинаковых состояниях, то 1,,(0) .-- А,(0) зЭ=соя ~Й,— яз)-1. 2з' Приложенное к структуре магнитное поле с индукцией Ф В= ~им изменит электронные потоки так, что где Л вЂ” длина колена. Тогда коэффициент прохождения 2) примет аид: ьэ = соя В этом случае электронный ток и проводимость структуры Аароноаа — Бома1АБ) начнут периодически осциллироаать с периалом л | зу при изменении магнитного потока Ф.
При этом имеет место и электростатический эффект Ааронова — Бома, а котором на поток электраноа воздействуют электростатические паля от конленсаторных элелтродов. Постоянное напряжение, прикладыааемое к конденсаторным электродам, приводит к накоплению фазы я каналах петли на аелнчнну Изменение напряжения А К будет вызывать осцилляцию коэффициента прохождения Л = соя где т — среднее ярема пролета электронов через канат длиной Е.
Изменение фазы происходит из-за изменения длины волны электронов и определяется аременем пролета участка, находящегося в элелтричсском поле. Таким образом, а магнитном эффекте АБ изменение фазы пропорционально плошали, охваченной магнитным потоком. В электростатическом эффекте определяющим фактором является длина канала, на котором действует элелтрическое поле.
15.7. Новые транзисторные структуры Наноэлектроника является, с одной стороны, неким продолжением рсовития традицион"ь'х плей микроэлектроники, связанных со схемотехническими методамн обработки информации. С другой стороны, совершенно новые идеи, касающиеся а каантоао-рази~рных явлений и эффектов, открывают широкие возможности создания прибораа ноааго "околения. Американская программа развития технологии "Т)зе 1Ча11опа1 Тесйпо)ойу оаг)пзар рог Беппсопбсс1огз" предусматривает, я частности, создание к 2015 году транзисгороа с шириной затяора 200 А. Это позволит разместить 1О' транзисторое на 1 см инегральной схемы при частотах 30 — 40 ГГц. Часть П.
Микроэлектроника 4ВВ 15.7.1. Полевые транзисторы 1 радиционные полевые транзисторы, выполненные по субмикронной технологии, приоб ретают новые свойства. Уменьшение толщины окисла, длины канала приволит к кванто ванию поперечного движения в канале. В результате образуется квазидву мерный газ но. сителей заряда, увеличивается их подвижность и туннельный ток. При длинах затворов транзисгоров ло 20 нм они становятся сравнимы с длиной когерентности и длиной волны де-Бройля при комнатной телзпературе. Используя кремниево-герлиниевую технологию, были получены двух- и трехзатворные транзисторы, которые облапали более эффективным управлением. Фирма |ВМ создала «ремниево-германиевый транзистор, способный работать 350 млрд циклов в секунду На основе этой конструкции транзисторов можно получить специализированный микропро.
цессор для телекоммуникационных приборов, работающих на частоте 150 ГГц. Алзери канская фирма АМО создала двухзатворный транзистор с ллиной затвора 1О нм, изготов. ленный по технологии р|п Б|е|б Е)Тес1 Тгапз!мог (г|п ББТ), при которой используется кремниевый плавник |Б|Н), позволяющий предотвращать утечки токов в отключенном состоянии, при этом резко возрастает производительность информационной системы. "Плавниковая" технология представляет собой островок кремнив, высота которого боль. ше, чем ширина, на котором и изготавливается транзистор.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
