Лекции по дисциплине «наноструктуры в электронных системах» для направления подготовки 210100. 68 «Электроника и наноэлектроника»



Скачать 1.22 Mb.
страница 3/6
Дата 25.09.2016
Размер 1.22 Mb.
1   2   3   4   5   6

Эффект одноэлектронного туннелирования

При уменьшении линейных размеров информационных элект­ронных приборов и устройств возникает проблема манипули­рования и определения состояния отдельных носителей заряда. И прежде всего электронов. Это направление развития элек­троники получило название «твердотельная одноэлектроника». Одноэлектронные устройства представляют собой перспектив­ные наноэлектронные приборы, основанные на эффекте дискрет­ного туннелирования отдельных электронов и обеспечивающие ультранизкие уровни потребляемой энергии при ультранизких рабочих напряжениях.

Рассмотрим процесс одноэлектронного туннелирования в ти­повой транзисторной структуре с использованием квантовой точки (рис. 1).

Рис. 1. Схема одноэлектронного транзистора с квантовой точкой:

Vз – напряжение на затворе, Vис – напряжение на электродах исток – сток

Туннельный переход формируется на основе двух проводников малого поперечного сечения, между которыми располагается тонкий слой диэлектрика. С помощью такой кон­струкции – туннельного перехода – можно управлять движе­нием отдельных электронов. Согласно основным принципам квантовой механики, микрочастицы (в частности электроны) мо­гут переходить через изолятор (диэлектрик) с одного проводника на другой – «туннелировать». В отличие от обычного движения электронов в проводнике, которое зависит лишь от их коллектив­ных свойств, при туннелировании проявляются индивидуальные характеристики каждой частицы. Электроны проходят через слой диэлектрика по отдельности, что позволяет зарегистрировать пе­ремещение с проводника на проводник даже одного из них. С точки зрения радиоэлектроники туннельный переход — это простейший конденсатор, а процесс туннелирования электронов приводит к небольшой перезарядке такого конденсатора и, следо­вательно, к изменению напряжения на нем. Если площадь и, со­ответственно, емкость перехода достаточно малы, то перезарядка даже на один элементарный заряд приведет к заметному скачку напряжения.

Теория одноэлектронного туннелирования впервые была предложена профессором Московского государственного универ­ситета К. К. Лихаревым. Было показано, что в туннельных переходах малой площади между металлами, а также вырожденными полупроводниками наблюдается эффект дискретного туннелиро­вания одиночных носителей тока сквозь туннельные барьеры. Эффект дискретного одноэлектронного туннелирования со­стоит в том, что в переходах с малой собственной емкостью С в результате туннелирования одиночного электрона изменяется напряжение на туннельном переходе на величину ΔV q/С. Сле­дует заметить, что в соответствии с теорией информации энергия электрона Е = q2/(2C) должна быть больше термодинамических флуктуации кТ и тогда Е » кТ, где к — постоянная Больцмана, Т— температура.

Рассмотрим туннельный переход между двумя металличес­кими контактами и тонким слоем диэлектрика между ними. По существу это устройство представляет собой плоский конденса­тор емкостью С с зарядом Q на его обкладках. Изменение ем­кости такого наноконденсатора происходит дискретно, а мини­мальное значение изменения энергии определяется элементарным зарядом ΔE = q2/(2С). Появление дробного заряда несколько парадоксально. Такой парадокс можно объяснить тем, что если напряжение на обкладках конденсатора можно менять непрерывно, то переход электрона и, соответственно, заряд ем­кости происходит скачком. В качестве аналога процесса одноэлектронного туннелирования Лихаревым была предложена некоторая аналогия с капающей из крана водой: вода подтекает непрерывно, а срывается сформированной для данных условий каплей. Аналогично в описываемой ситуации: смещение элек­трона происходит непрерывно, а туннелирование электрона – дискретно.

Заметим, что вследствие нанометровых размеров туннельных переходов электрический заряд в емкости перехода квантуется. Величину квантовых флуктуации можно оценить из соотношения неопределенности: Δ »/h, где τ =RC, R – сопротивление пе­рехода. При квантовом переходе R » RQ, где RQ = h/4q2 = 6,45 кОм – квантовое сопротивление. При определенных усло­виях процесс туннелирования электронов можно блокировать. Предположим, какой–то из электронов перешел сквозь изолятор незаряженного перехода. При этом на переходе сразу же появится напряжение, препятствующее движению следующих частиц, – проскочивший электрон своим зарядом отталкивает другие элек­троны. Этот эффект получил название кулоновской блокады. Кулоновская блокада представляет собой явление отсутствия тока из–за невозможности туннелирования электронов вследствие их кулоновского отталкивания при приложении напряжения к туннель­ному переходу.

Таким образом, вследствие кулоновской блокады очередной электрон пройдет через изолятор только тогда, когда предыду­щий удалится от перехода. В результате частицы станут переска­кивать с проводника на проводник через определенные промежутки времени, а частота таких перескоков – одноэлектронных колеба­ний – будет равна величине тока, деленной на заряд электрона. Частота повторения определяется соотношением: f = I/q, где I – ток через переход. Это так называемые одноэлектронные туннель­ные осцилляции. Поэтому для обеспечения процесса туннелирова­ния через переход необходимо преодолеть силу кулоновского от­талкивания электронов — приложить напряжение Vкб = q/(2C). Эффект кулоновской блокады позволяет управлять процессом туннелирования электронов.

Процесс протекания тока через одиночный туннельный пере­ход происходит в несколько стадий (рис. 2,а).

Рис. 2. Схема процесса одноэлектронного туннелирования (а)

и схема процесса образования капли в трубе (б)
На первой ста­дии граница между металлом и диэлектриком электрически ней­тральна. Для поддержания электрического тока необходимо на одной стороне туннельного перехода накопить определенный за­ряд. На рис. 2,б представлен процесс образования капли воды в трубе неплотно закрытого крана (интерпретация Лихарева). На второй стадии процесса к металлическим обкладкам прикладыва­ется электрический потенциал, и на границе раздела накаплива­ется заряд. Этот этап соответствует формированию капли. На третьей стадии происходит накопление заряда до тех пор, пока его величины не будет достаточно для преодоления туннельного перехода через диэлектрик. На аналоговой схеме этот этап соот­ветствует образованию и отрыву капли. На четвертом этапе после акта туннелирования система возвращается в исходное состоя­ние. При сохранении приложенного напряжения цикл повторя­ется по такому же сценарию.

Значение емкости, необходимое для наблюдения кулоновской блокады при данной температуре Т, можно получить, подставив численные значения q и k. Получим, что для наблюдения эффекта С« q2/ (2kT). Расчеты показывают, что при 4,2К необходима ем­кость « 2. 10-16 Ф, а при 77 и 300К – « 10-17 и « 3 • 10-18Ф, соответственно. Таким образом, для работы приборов при высо­ких температурах (выше 77 К) необходима емкость 10-18 – 10-19 Ф, или 0,1 ÷ 1 аФ. Если за счет теплового движения частица приоб­рела достаточно большую энергию, она может прорвать кулоновскую блокаду. Поэтому для каждого одноэлектронного устрой­ства существует своя критическая температура, выше которой оно перестает работать. Эта температура обратно пропорцио­нальна площади перехода: чем меньше его емкость, тем больше скачок напряжения и тем выше барьер кулоновской блокады.

На рис. 3,а представлена эквивалентная схема туннельного перехода.

Рис. 3. Эквивалентная схема туннельных переходов


Прямоугольником обозначен туннельный переход. Данное графическое обозначение для кулоновского туннельного перехода является общепринятым. Переход характеризуется сопротивлением R и емкостью С, С/ — емкость подводящих кон­тактов. К переходу приложено напряжение V. Из приведенной схемы видно, что если паразитная емкость С больше емкости пе­рехода, емкость системы будет определяться шунтирующей ем­костью С/. В реальных приборах не удается получить шунтирую­щую емкость менее 10-15 Ф, что как минимум на два порядка больше требуемой для наблюдения одноэлектронного туннелирования даже при температурах жидкого гелия.

Таким образом, наблюдение одноэлектронного туннелирования в системе с одним переходом при сегодняшнем развитии тех­нологии проблематично. Для решения данной проблемы была предложена конструкция из двух туннельных переходов, вклю­ченных последовательно (рис. 3,б). В этом случае емкость контактов уже не шунтирует емкость каждого перехода. Общую электростатическую энергию такой системы можно записать в виде Е =Q12/(2C1) + Q22 (2С2), – где 1, 2 – индексы переходов. Физически такая конструкция представляет собой малую проводящую частицу, отделенную туннельными переходами от контак­тов, поэтому равенство Q1 =Q2 = Q соответствует заряду, находя­щемуся на частице.

Рассмотрим полуклассическую теорию транспорта носителей, в основе которой наряду с классическими кулоновскими эффек­тами имеет место процесс квантового туннелирования. Пред­ставим двухпереходную систему с несимметричными переходами (рис. 3, б). Темп туннелирования через первый переход соответ­ствует выражению Г1 = δЕ1/ (q2Rl), где δЕ1 = qV1 - q2(2Cx) – изменение энергии на первом переходе при падении на нем на­пряжения V1 >Vкб. Подставив δЕ1 в выражение для Г, получим: Г1 =V1/(qRl)-1/2(R1C1). Аналогичное выражение можно запи­сать для темпа туннелирования через второй переход Г2. Видно, что темп туннелирования зависит от R и С. Если значения пара­метров переходов R и С равны, то при увеличении напряжения будет происходить плавный рост тока, так как количество при­шедших на кулоновский остров (квантовую точку) электронов будет равно количеству ушедших. Увеличение тока, обусловлен­ное переходом с низким темпом туннелирования, будет медлен­ным. В каждый момент времени на островке будет существовать определенное количество электронов, число которых зависит от приложенного напряжения. В результате вольтамперная характе­ристика двухпереходной системы имеет ступенчатый вид (рис. 4.). Такая ВАХ получила название «кулоновская лест­ница».

Рис. 4. Семейство расчетных вольтамперных характеристик схемы

с двумя переходами
Ступеньки ВАХ будут тем ярче выражены, чем несиммет­ричнее переходы. Ступеньки исчезают при симметрии перехо­дов или при равенстве R и С–констант. Семейство кулоновских лестниц, рассчитанное Лихаревым для различных значений Q0 и для различных значений внешнего заряда (G1 « G2,C1 = 2С2), представлено на рис. 4.

Величина G называется кондактансом, она обратно пропорциональна сопротивлению; Q = Qо + nq, где п – целое число электронов на кулоновском острове. Заряд Q0 имеет поляризационную природу, и им можно управлять с помощью затворного электрода, который располагают рядом с кулоновским островом. Условие кулоновской блокады будет периодически выполняться при непрерывном изменении Q0, так же как при изменении затворного напряжения периодически бу­дет возникать кулоновская блокада. Зависимость тока, протека­ющего через квантовую точку (или напряжения на ней при по­стоянном токе), будет носить осцилляционный характер, представленный на рис. 5.



Рис. 5. Зависимость напряжения на квантовой точке при постоянном

токе через нее (I=300нА) от напряжения на затворе Vз
В системах с несколькими переходами имеет место процесс сотуннелирования, характеризующегося сохранением энергии между начальным и конечным состояниями всего массива пе­реходов. В то же время поведение электрона на каждом отдель­ном переходе не определено. Было отмечено, что при исполь­зовании двух и более переходов между электродами находятся квантовые точки. Эти нуль–мерные объекты имеют энергети­ческий спектр, представляющий собой набор дискретных уровней. На транспортные свойства квантовой точки влияют флук­туации потенциала, которые делают пики кулоновских осцил­ляции нерегулярными.
2. Явления и устройства спинтроники

В соответствии с квантово–механическим представлением, элементарная частица в атоме характеризуется собственным или спиновым и орбитальным механическими моментами (рис. 1).





Рис.1. Магнитные моменты mL и спиновые моменты mS в одноэлектронном (а) и двухэлектронном (б) атоме

Спиновой момент имеет квантовую природу, и собственные зна­чения проекции спинового момента S частицы на некоторую ось квантуются: SzS, ћ(S -1),... , (-ћS), где ћ = h/2π, h — постоян­ная Планка, S – спиновое квантовое число (спин) данной час­тицы. Запишем для электрона значения Sz в единицах S: Sz = ±1/2.

Орбитальный механический момент L имеет классическую при­роду, однако подчиняется законам квантования и поэтому может принимать значения L, L - 1, ... , -L. Со спиновым механическим моментом связан спиновый магнитный момент – ms = yshS, где ys — магнитомеханическое отношение, ys = gsq/(2me), константа gs =2,0023; q и т — заряд и масса электрона; с – скорость света. (Векторы в формулах помечены жирным шрифтом.) С орбитальным механическим моментом связан орбитальный магнитный момент – mL = -yL ћL, где ys =gLq 1(2тс), a gL 1. Полный механический момент электрона есть векторная сумма спинового и орбитального моментов: J = S + L, а полный магнитный момент: М = ms +mL.

Таким образом, магнитный момент атома складывается из орбитальных и спиновых моментов всех электронов, входящих в атом, и спинового магнитного момента ядра. Механические спиновые моменты электрона и ядра имеют один и тот же поря­док величины. Спиновый магнитный момент ядра мал, и поэтому влияние магнитных моментов ядер на магнитные свойства ато­мов можно считать малым. Таким образом, механический (М) и магнитный (L) моменты атома – векторные суммы полных моментов. Если в атоме несколько электронов, то полный или собственный магнитный момент атома определяется векторной суммой орбитальных и спиновых моментов. Орбитальные и спи­новые моменты могут иметь одно из двух возможных направле­ний – согласное или противоположное. Если магнитные мо­менты пары электронов направлены в противоположные сто­роны, то они взаимно компенсируются. Собственный момент такого атома в отсутствие внешнего поля равен нулю.

Спины электронов могут быть ориентированы в направле­ниях, которые принято называть «спин–вверх» (мажорные спины) и «спин–вниз» (минорные спины) — рис. 2, а,б.



Рис. 2. Мажорная (а) и минорная (б) ориентации спинов; прецессия орбиты в магнитном поле (в)


В магнитном поле спины выстраиваются в направлении поля. В этом поле одновременно происходит прецессирование, заклю­чающееся в том, что орбита электрона определенным образом вращается вокруг силовых линий (рис. 2,в). При выключении поля прецессия спина прекращается, при этом фиксируется ори­ентация спина. Другими словами, спиновое состояние электрона можно менять с помощью магнитного поля. Если мажорному со­стоянию спина присвоить значение логической «1», то минор­ному состоянию спина присваивается значение логического «0». В двоичной системе исчисления верно и наоборот. В этом случае спин выступает в роли динамической неоднородности, принятой за единицу информации в функциональной электронике.

Это простое открытие дало толчок к возникновению спиновой электроники – спинтроники. Спинтроника объединяет области исследований и разработок на эффектах переноса спинов в качестве носителей информации. К этому направлению в электронике проявляется повышенный интерес. Ожидается, что спинэлектронные приборы и устройства будут обладать высоким быстроде­йствием, поскольку переориентация спина происходит за не­сколько пикосекунд. Резко сократится потребление энергии, так как перенос спина энергетически выгоднее переноса заряда. При изменении положения и состояния электрона не происходит ни изменения кинетической энергии электрона, ни выделения тепла. Ясно, что такие устройства весьма перспективны для цифровой обработки сигналов.

Появление термина «спинтроника» относят к концу прошлого века. Однако ранее существовало понятие «спинволновая элек­троника», в основе которой лежала идея переноса и обработки информационного сигнала магнитостатическими волнами. Спин­волновая электроника – это направление в наноэлектронике, в котором изучаются эффекты и явления в магнитоупорядоченных континуальных средах, а также принципы создания прибо­ров и устройств обработки и хранения информации.

В твердом теле атомы (ионы) находятся в узлах кристалличес­кой решетки. Между ними происходит электрическое и магнит­ное взаимодействие. Электрическое (или кулоновское) взаимо­действие более сильное, его энергия составляет \q\2/а ≈ 10-11 эрг, где а – постоянная кристаллической решетки. Энергия магнитного или диполь–дипольного взаимодействия равна μв2/а3 ≈ 10-16 эрг, где μВ =qћ/(2mc) – магнетон Бора. Другими словами, энергия электрического взаимодействия на пять поряд­ков больше, чем магнитного. Оба типа взаимодействия подчи­няются закону обратных квадратов и являются дальнодействую­щими.

Кроме указанных взаимодействий в многоэлектронных систе­мах имеет место сильное обменное взаимодействие. Обменное взаимодействие носит чисто квантовый характер. Энергия обмен­ного взаимодействия минимальна либо при параллельной ориен­тации спинов всех атомов вещества у ферромагнетиков, либо при антипараллельной ориентации у антиферромагнетиков. Известно, что система всегда стремится к состоянию с минимальной сво­бодной энергией. Этим и обусловлено явление магнитной упоря­доченности в магнитных кристаллах. В равновесном состоянии спины стремятся выстроиться либо параллельно, либо антипараллельно.

Энергия обменного взаимодействия по порядку величины зна­чительно больше энергии магнитного взаимодействия, поэтому магнитное взаимодействие играет сравнительно малую роль в магнитной упорядоченности. Заметим, однако, что обменные силы являются короткодействующими и действуют на значи­тельно меньших расстояниях, чем магнитные. Магнитное упоря­дочение заключается в существовании определенной закономер­ности расположения элементарных магнитных моментов атомов, ионов, электронов.

Известны вещества, обладающие в отсутствие внешнего маг­нитного поля упорядоченной магнитной структурой – ферро­магнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики (ферриты) (рис. 3).

Рис. 3. Спиновые упорядочения в ферромагнетике (а), антиферромагнетике (б) и ферримагнетике (в) при Т=0. Магнитные ионы с разной величиной спина имеют разный диаметр кружков



Ферромагнетики обладают спонтанной параллельной ориентацией элементарных магнитных моментов, приводящей к намагниченности. Ответственны за эту ориентацию так называ­емые обменные силы. К ферромагнетикам относятся переходные металлы (железо, никель, кобальт) и гадолиний, а также их сплавы и ряд оксидов. Атомы таких элементов имеют незапол­ненные электронами внутренние оболочки. В незаполненной оболочке возникает некомпенсированный магнитный момент. Спиновая часть этого момента сохраняется при вхождении эле­мента в состав вещества, орбитальная часть сильно подавляется и не играет заметной роли. Это –вещества со спиновым магне­тизмом.

В антиферромагнетиках имеет место «шахматная» упорядочен­ность. В этом случае каждый магнитный момент окружен антипа­раллельными моментами. В итоге суммарный магнитный момент будет мал. К антиферромагнетикам относятся металлы – хром, марганец, германий и их сплавы. Среди антиферромагнетиков известно также большое количество диэлектриков и полупроводни­ков.

Ферриты, или ферримагнетики, обладают аналогичной спонтан­ной «шахматной» упорядоченностью. Вследствие различия момен­тов, направленных в разные стороны, имеет место значительный ре­зультирующий магнитный момент. Диамагнетики обладают свойст­вом намагничиваться навстречу приложенному магнитному полю. В отсутствие магнитного поля эти соединения магнитным момен­том не обладают. Классическими диамагнетиками являются инертные газы в жидком и кристаллических соединениях, гало­гены в любом состоянии, некоторые металлы (Сu, Ag, Zn, Аu, Hg). Эти вещества также называют магнитными диэлектриками. К ним относят прежде всего иттриевый феррит со структурой граната (Y3Fe5O12) или железо–иттриевый гранат. К этому классу относят также гексаферриты BaFe12O19.

В магнитоупорядоченных кристаллах спины взаимодействуют между собой двояким образом: или это обычное магнитное диполь–дипольное взаимодействие, или обменное взаимодействие. Два типа взаимодействия вызывают два рода упругих сил в магнитном диэлектрике — магнитные и обменные силы. Пер­вые являются дальнодействующими. Во взаимодействии при­нимают участие сразу много узлов кристаллической решетки и его часто называют коллективным. В ближнем порядке между соседними атомами имеет место обменное взаимодействие. Обменные силы являются короткодействующими и хорошо описывают коротковолновые возмущения узлов кристалличес­кой решетки. В этом случае смещения соседних узлов кристал­лической решетки достаточно велики, и обменные силы высту­пают на первый план.

Таким образом, за длинноволновые возмущения ответственны магнитные силы или магнитная упругость, а за коротковолновые возмущения – обменные силы или обменная упругость. Наличие двух типов возмущения порождает возможность генерации и распространения двух видов волн – спиновых магнитостатических и спиновых обменных. Волны первого типа называют магнитостатическими, а второго типа – спиновыми. Деление спиновых волн на два типа весьма условно, и необходим одновременный учет вклада обоих типов взаимодействий,

Намагниченность отдельных ионов представим магнитным вектором М, величина которого имеет максимальное значение Ms и называется намагниченностью насыщения. Например, для железо–иттриевого граната при комнатной температуре Ms = 1750–1760 Гс. Магнитный момент иона пропорционален его механическому моменту с коэффициентом пропорциональности γ, называемым гиромагнитным отношением, Если отклонить век­тор М от равновесного состояния, то он будет совершать прецес­сию подобно механическому волчку (рис. 4, а).

Рассмотрим ситуацию, когда в основном состоянии все маг­нитные моменты атомов М0 параллельны и направлены в одну сторону вдоль внешнего магнитного поля Н0 (рис. 4, б). Если вывести крайний вектор М0 из положения равновесия, то локали­зации возмущения на отдельном атоме не произойдет. В этом случае магнитный момент атома начнет прецессировать вокруг магнитного поля Н0 с частотой ω = уН0. При этом возникнет высокочастотное магнитное поле, которое будет воздействовать на следующий магнитный момент, понуждая его к прецессии, и т. д.

Рис. 4. Прецессия вектора намагниченности М под действием поля Н (а), схема формирования спиновой волны (б,в), вид спиновой волны (г)
Магнитные моменты будут прецессировать по поверхнос­тям конусов. Каждый следующий магнитный момент будет иметь определенный фазовый сдвиг по сравнению с предыдущим. Фа­зовый сдвиг будет оставаться постоянным при переходе от од­ного момента к другому моменту (рис. 4,в). В результате вдоль цепочки магнитных векторов побежит фазовая волна воз­мущения. На рис. 4,г она изображена линией, проходящей через концы магнитных векторов (вид сверху). Длина спиновой волны определена величиной λ.

Различают несколько типов волн. Если длина волны значи­тельно больше размеров кристаллической решетки (λ»а), то в магнитоупорядоченных структурах могут распространяться медленные волны. Они обусловлены дальнодействующим диполь–дипольным взаимодействием. Волны этого типа называют магнитостатическими волнами (МСВ). Эти волны способны пе­реносить энергию в результате диполь–дипольного взаимодейст­вия. Если длина волны возмущений λ > а, то такие волны об­условлены обменным взаимодействием и носят название спино­вых волн (СВ). Энергия в такого типа волнах переносится благодаря обмену. Существуют дипольнообменные волны, для которых дипольный и обменный механизмы переноса одинаково существенны.

Итак, спиновая волна представляет собой волну нарушения магнитной упорядоченности или элементарное возбуждение. Квазичастицы, соответствующие спиновой волне, называются магнонами. Магноны, как и все квазичастицы, обладают энергией Е=ћk, квазиимпульсом р=ћk и магнитным моментом μi = дћωi/дН. В простейшем случае магнитный момент магнона равен магнитному моменту атома и направлен против равновес­ной намагниченности. Практический интерес представляет по­верхностная магнитодипольпая волна или поверхностная магнитостатическая волна (ПМСВ). Ее групповая скорость совпадает по знаку с фазовой скоростью, их энергия и фаза перемещаются в одну и ту же сторону. Для пленки железо–иттриевого граната частота колебаний составляет ~ 10 ГГц при скорости распростра­нения vn, = 4.106 см/с.

3. Приборы на магнитостатических волнах

Уникальные свойства магнитостатических волн (МСВ) широко используют в элементах и приборах СВЧ–диапазона длин волн. Наибольшее распространение получили линии задержки на маг­нитостатических волнах.


1   2   3   4   5   6


База данных защищена авторским правом ©infoeto.ru 2022
обратиться к администрации
Как написать курсовую работу | Как написать хороший реферат
    Главная страница