Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 103
Текст из файла (страница 103)
Короткий участок ~акого плавника и становится каналом. Правда, это уже не плапарный прибор. Весьма перспективна технология кремния на диэлектрике. Толщина кремния в 20 нм позволяет сфорьгировать планарные транзисторы практически малых паразитных емкостей. Полевой транзистор на гетероструктурах (ГСПТ) с использованием арсенида ггщлия представляет собой эпитаксиальную пленку, нанесенную на полупроводниковую поде ложку (рис. 15.12). Образуется гетеропереход с потенциальной ямой со стороны подложки, в которой формируется проводящий канал, подобный каналу в сильно инвертированном выраженном поверхностном слое. Котла квазиуровень Ферми подвижных носителей, представляемый потенциалалзи истока и стока, пересечет дно ямы, то яма деформируется.
Она станет узкой и состояние носителей в ней приобретет квантовый характер. Образ>ется квазидвумерный газ, подвижность носителей в котором увеличится благодаря уменьшению рассеивания носителя на при месях. рис. 1В.12. Структура арсения галлиевого транзистора: И вЂ” исток, 3 — затвор, С вЂ” сток Причиной тому является малая концентрация остаточных заря»венных центров в оу» нам слое полуизолирующей подложки вблизи поверхности 1- 10 см з) и высокое ка' ачест- 488 )5 Огмикро- к нановлектронике во поверхности границы гетероперехода.
Формирование со стороны эпитаксиальной „ленки тонкого, порядка нанометра, нелегированного пограничного слоя, который апределяет канал от сильнолсгированной области в эцитаксиальной пленке также способствует увеличению подвижности носителей. Наиболее эффективны и канальные ГСПТ, выцолненные на основе гетерострултуры типа л -А(,.Скан,дв,г г-СаАз со значением х — 0,3. !1ри нормальной работе ГСПТ эпитаксивльная пленка обедняется носи~елями, а пространственный заряд в ней создается ионизированными донорами с концентрацией 10" см . При ширине затвора ~,,— 0,25 и температуре 300 К обнаруживается квазибаллистический характер переноса носителей.
15.7.2. Транзисторы с резонансным туннелированием Технология молекулярно-лучевой эпитаксии позволяет получать различные структуры с квантовыми ямами, создавать туннельные полупроводниковые гетероструктуры с определенными потенциальными барьерами, сверхрешетки с периодической структурой туниельных барьсроа. На рис. 15.13 приведена типовая структура транзистора на горячих электронах с резонансным туннелированием (Гкезогтап! Тцпле1гля Но( Е1ес(гоп Тгапымогз). в) б) в) Рис. 16.13.
Структура транзистора иа горячих электронах с резонансным туиивлирсваиием (а), вгс энергетическая диаграмма (6) и выходная ВАХ (в) Вктиттер имеет структуру, состоящую из двух потенциальных барьероа с заключенной межлу ними квантовой ямой шириной -5 нм. За счет резонансного туннелирования в ошу поступает манохроматический электронный поток. Характерной особенностью ВАХ такого транзистора является ее сообразный характер с участколт отрицательной диффеРенциальной проводимости. Научный и практический интерес представляют полупроводниковые гетероструктуры с квантовыми точками. Методом гстероэпигаксии слоя на несогласованной по параметру решетки подложке получены транзисторы, в которых квантовые точки встраиваются в токовьцТ' канат (рис.
15,14), Средний размер квантовых точек составляе~ - 40 нм, а коп- Часть П. Микроэлекгрони„ 490 центрация — Зх10 см'. В сильных полях была выявлена аномальная лвухступенчатая 1О фоРма ВЛХ, что обУсловлено вкладом квантовых точек в пРоцесс пРотеканиЯ тока Эз объясняется двумя типами состояния электронов: подвижные лвумерные электроны и электроны, локализованные на квантовых точках.
Это принципиацшо новый тнп траизи егора на горячих электронах, который имеет хорошие перспективы использования в вм. сокочастотных системах Рис. 16 14. Структура и А~СаАз / Оалз ! ~пйз | Садк! 1пАз I баАз с квантовыми точками 1пЯз, встроенными в приборный канал 15.8. Квантовые приборы наноэлектроники В полупроводниковых квантовых приборах обработка, хранение и преобразование ин формации происходят путем контролируемой передислокации волновой функции в полу провадниковой нанострултуре.
Еслн в традиционных полупроводниковых приборах различные дискретные состояния котоРые соответствовали логическим уровням и определялись инерпионными кинетиче скими процессами диффузии и дрейфа, то в кван~оных структурах дискретность сосюя ний системы определяешься лискретностью безынерционного квантово-размерного энер тического спектра. Эта является фундаментальным свойством квантовых приборов. В квантовых приборах обработка информации связана с управлением перестройки воз"о овать вой функции электрона в квантовой структуре. Эта перестройка должна соответствов заданному логическому закону преооразования информации.
Один из способов п " пере. нахо стройк~т волновой функции заключается в перслислокации максимума вероятности на ждения электрона из одной части кванц оной системы в другую. Эта передислокация осу гх тошествляется пол действием внешнего напряжения, например, с помощью квантовых чек, разделенных туннельно-прозрачными барьерачи, !б, Ог микро- к наноэлектроника Походное распределение волновых функций должно быть несимметрично, чтобы электронная плотность была сосредоточена в одной квантовой яме. При приложении внешнего напряжения, повышающего уровень системы, происходит передислокация максимума амплитуды волновой функции из одной квантовой точки в другую. таким образом, передислокация волновой функции происходит путем межямной релаксации параллельно с процессом испускания фотона. Время переключения определяется временем релаксации, характерное значение которого составляет — 1 нс.
С уменьцгением туннельной связи между квантовыми точками это время экспоненциально растет. Считывание информации, закодированной в виде зарядного распределения волновой функции по квантовым ямам, осуществляется с помощью специальных контактов к каждой квантовой яме. 18.8.1.
Квантовый вентиль две квантовые ямы могут использоваться как квантовый догпчсскпи элемент. При малом напряжении на входе, соответствующем напряжению логического нуля, максимум амгшитуды волновой функции находится в первой квантовой яме Ьрь Сопротивление первой ямы будет мало по сравнению с сопротивлением второй ямы (рис. ! 5.15, а).
а) б) Рис. 16.16. Схема квантового иивертора (а) и его характеристика (б) На выходе напряжение будет близко к напряжению источника питания — это напряжение ~этической единицы (рис. 15.15, б). При напряжении логической единицы на входном злектРоде волновав фУнкциЯ локалнзУетса во втоРой Яме Из. Соотношение сопРотивле""й изменится на противоположное по сравнению с ранее рассмотренным случаем. На вь ходе напряжение будет соответствовать напряжению логического пуля (рис. 15.15, б).
квозной ток через структуру между электродами протекает только во время переходного л о Роцесса или в период передислокации максимального нуля волновой функции. Вто то является полным аначогом КМОП-инвертора с той .тишь разницей, что имеет близкую Ую к нулю составляющую динамической мощности. йыс ь'стролействие квантового инвертора определяется временем туннелирования электронов " через барьер и составляет — 1 нс. Возможны и другие схемы включения квантовых ям создания логических кеантовык структур.
Нап апример, резонансные туннельные лиоды, получившие название квантовых точечных ст Руктур (точек). Каанлгоеая пгочка представляет собой потенциальную яму нулевой раз- Часть 11. к4икроэлектроника 40к мерности. В таких структурах возможно туннелирование между отдельными точками Н„ их основе можно создать матрицу квантовых точек с шагом ! мкм, не имеющих межд собой обычных межсоединений. Каждая квантовая точка имеет два состояния: налили или отсутствие в ней электрона.
Электроны можно переклк>лить в любом направлении между потенциальными ямами режим туннельного резонанса достигается путем выбора полярности напряжения смеще ния, Между двумя точками образуется зарядовая связь — кулоновское взаимодействи. электронов соседних потенциальных ям. Моделирование таких матриц показало, что онн могут выполнять логические функции без отказов и сбоев. 15.8.2. Квантовый интерферометр В основе работы квактеоых ~тте)тфераметров лежит явление интерференции волновых пакетов.
На вход прибора подается волновой пакет или отдельный цуг 1рис, 15.16), В плечах интерферометра предусматривается ввод цуга определенной фазы, позволяющей на выходе получить пуг, соответствукзщий, например, логической единице 1рис. 15.16, е). Если в плечи интерферометра вводятся цуги соответствующей противофазы, то на выходе сигнала не будет (рис. 15.16, 6). Такое положение может соответствовать логическому нулю. Предполагается, что приборы этого типа найдут широкое применение в однокристальных компьютерах, схемах оптической связи.
6) а) Рис. 15.16. Квантовый интерферометр на волновых пакетах 15.8.3. Квантовый каскадныЙ лазер В новом классе лазеров используются оптические переходы между минизонами сверхре щеток. Такой класс лазеров получил название кеактовьм каскадлых лазеров. В сверхрешетках с постоянным периодом отдельные уровни в квантовых ямах из-за зу з и нелирования электронов сливаются в мини-зоны При приложении к сверхрешетке вне вне1з! него электрического поля эти уровни мокнут разделиться по энергии. Мини-зоны в э этом случае разрушаются. 1бсли же создать сверхрешстку с постепенно меняющимся периодом (сй)греб), то прзз Р и пРн ческнх ложении внешнего элекзрического поля наблюдается эффект схожления эиергетиче уровней в отдельных квантовых ямах в энергетическую мини-зону 1рис.
15.17). ШчеТаким образолп в неэквидистантной сверхрешетке пол действием внешнего электр ' появ ского поля формируются энергетические зоны — — мини-полосы. В такой структуре по !6 От микро- к нанозлектронике 493 , яется возможность стимулировать вынужденное излучение. подобно тому, как оно возникает в активной среде оптического лазера. Рис. 16.17. Формирование энергетических уровней в структуре сверхрешегки Вля примера в подобной структуре удалось осуществить генерацию лазерного излучения на длине волны 7,6 мкм с пиковой мощностью 0,5 Вт при пороговой плотности тока 5 кЛ г' см . Температура, при которой осугггествлялась генерация, составляла 160 К (Лррйег1 РЬуьйсз 1 епег, у. 73. р.
2! О1, 1998). 15.9. Одноэлектронные приборы В туннельных переходах малой площади при низких температурах наблюдается дискретное туннелнрование одиночных электронов. Это возможно в переходах с малой собственной емкостью С, при которой напряжение изменяется на величину Л1:= Еу о, причем это изменение напряжения должно быть больше термических флуктуаций Л)г>угТу Е, где )г — постоянная Ьольцмана. Эта смелая идея легла в основу нового перспективного направления в наноэлектронике — однозлектргннки. фундаментальггьгм одноэлектронным устройством является ог)ггоэлеклггэоггггьги лгранзгн олго. Он содержит область проводимости, соединенную с потоковыми и стоковыми электродами — туннельными барьерами, которые имеют емкостную связь с затвором.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
