Линии задержки представляют собой устройства для временной задержки электрических сигналов при несущественных искажениях их формы. Теоретически могут быть разработаны линии задержки в широкой полосе частот с различным законом изменения времени задержки, например, постоянная задержка, линейная задержка и др.
Одна из конструкций линий задержки СВЧ–сигналов представлена на рис. 5. Линия задержки монтируется на подложке из оксида алюминия (искусственный сапфир, корунд). Управляющий экран служит одновременно основанием возбуждающей микрополосковой линии. Входной и выходной СВЧ–сигналы проходят по копланарным волноводам, которые формируются в экране методом травления.
Рис. 5. Структура линии задержки на пленке железо–иттриевого граната (ЖИГ). ГГГ – галлий–газолиниевый гранат
На управляющий экран наносится стеклянная подложка толщиной ~20 мкм. Микрополоски размещаются на стеклянной подложке и соединяются с проводниками копланарных линий. Входная и выходная микрополоски делаются достаточно узкими (до 50 мкм) для обеспечения необходимой ширины полосы возбуждения. Отдельно готовится пленка железо–иттриевого граната (ЖИГ, Y3Fe5О12) на подложке из галлий–гадолиниевого граната (ГГГ, Gd3Ga5О12). Такое сочетание позволяет получить пленки высокой степени структурного совершенства, с небольшими потерями на частотах СВЧ–диапазона. «Сэндвич» ЖИГ–ГГГ помещается сверху на стеклянную подложку. Таким образом, сформированная линия задержки на поверхностных МСВ работает в диапазоне ~10 ГГц, с полосой 200 МГц, задержкой в полосе ~100 нс/см при вносимых потерях ~10 дБ.
Одно из направлений, связанных с разработкой бездисперсионных перестраиваемых линий задержки на МСВ в широкой полосе частот, –использование каскадных схем. Для этого последовательно включаются две линейно перестраиваемые линии задержки со взаимнообратными характеристиками. С этой целью используются линии задержки на поверхностных или прямых объемных МСВ с нормальной дисперсией или ЛЗ на обратных объемных МСВ с аномальной дисперсией. Такие конструкции позволяют в определенных пределах модулировать по величине полную задержку сигнала.
Длина когерентности спиновых волн составляет доли сантиметра. Амплитуда волны быстро затухает вследствие магнон–фононного и магнон–магнонного рассеяния. Созданы усилители спиновых волн. Типовая конструкция такого усилителя приведена на рис. 6.
Рис. 6. Усилитель спиновой волны, реализованный на слоистой структуре, 1 и 2 – входной и выходной сигналы спиновой волны соответственно
На кремниевую подложку наносится пленка проводящего ферромагнитного материала, например, CoFe или NiFe. Затем формируется слой пьезоэлектрика, например, титан–цирконат свинца. Наносится затвор, на который подается напряжение, вызывающее деформацию как пьезоэлектрика, так и связанного с ним ферромагнетика. Вследствие магнитострикции ось анизотропии может меняться на 90°. Меняя напряжение на затворе синхронно с колебаниями спиновой волны, можно достигнуть резонанса и усилить магнитостатическую волну, увеличить длину ее затухания.
Весьма интересное применение МСВ нашли в фильтрах СВЧ–сигналов. Такие фильтры имеют верхнюю частотную границу в области выше 50–60 ГГц и работают в реальном масштабе времени. Фильтры на МСВ способны легко перестраиваться по спектральному диапазону за счет изменения внешнего магнитного поля. На МСВ разработаны эффективные линии передачи, шумоподавители, полосковые замедляющие структуры, а также другие устройства СВЧ–диапазона.
В области наноэлектроники существует много идей использования спинов электронов в качестве носителей информационного сигнала в приборах и устройствах обработки и хранения информации.
ЛЕКЦИЯ 4
Устройства молекулярной электроники (молетроники)
Вблизи нижней границы нанообласти существуют материальные структуры, называемые молекулами. Известно более 3·105 неорганических и около 7·106 органических молекул.
Среди громадного числа различающихся по составу и структуре органических молекул обнаруживается достаточно много таких, которые в определенных условиях проявляют свойства проводников, диэлектриков, магнитных материалов, приемников и излучателей света, диодов, транзисторов, элементов памяти. На основе этих предпосылок зародилась идея создания молекулярной электроники.
Молетроника – это электроника, в которой в качестве элементов микроэлектронных схем используются отдельные органические молекулы или даже их фрагменты.
Идеи молекулярной электроники возникли еще в 70–е гг. XX в. Теоретически было показано, что различные молекулы могут проводить ток или быть изоляторами, действовать как диоды, элементы памяти, транзисторы. Однако эксперименты с отдельными молекулами в те годы были чрезвычайно трудными. В последние годы резко возрос интерес к молекулярным устройствам. Во–первых, в связи с приближающимся пределом миниатюризации технологии ИМС на кремнии ведется поиск новых решений, которые привели бы к прогрессу в микроэлектронике. Во–вторых, появились новые экспериментальные средства в нанотехнологиях, дающие возможность оперировать отдельными молекулами и создавать к ним контакты. Интерес к молекулярной электронике обусловлен перспективами, которые откроются, если отдельные молекулы можно будет использовать в качестве базовых элементов электронных схем. Возникает реальная перспектива создания трехмерных схем со сверхвысокой плотностью элементов, чрезвычайно высоким быстродействием, низким энергопотреблением.
Основная трудность использования отдельных молекул – отсутствие соответствующей схемотехники. Молекулярные устройства должны представлять собой сложные разветвленные цепи из различных атомных группировок. Методы синтеза таких устройств пока не разработаны.
В настоящее время в мире существует более десятка научно–технологических центров, занимающихся разработкой устройств молекулярной электроники. Ежегодно проводятся конференции, собирающие сотни специалистов. Финансирование разработок за рубежом соизмеримо с затратами в области традиционных технологий микроэлектроники. Главные
усилия разработчиков направлены на создание молекулярного компьютера.
1. Молекулы–диоды
На рис. 1,а показана модельная молекула, состоящая из двух фрагментов: 1 – тетрацианохинодиметан (акцептор) и 2 – тетратиофульвален (донор), соединенных системой метиленовых мостиков (3).
Рис. 1. Схема молекулы, обладающей свойством диода (а); упрощенная энергетическая схема этой молекулы (б)
Акцептор (1) имеет низколежающую свободную орбиталь π1, донор (2) имеет свободную орбиталь с более высокой энергией π2. Донор и акцептор разделены изолирующей подгруппой (3). Молекула помещена между двумя металлическими электродами с уровнями Ферми EF1 и EF2. В металлах (при низких температурах) заполнены практически все состояния до EF1 и EF2. Распределение напряжения между электродами показано на рис. 1,б.
Если на электрод 1 подать «минус», а на электрод 2 «плюс», то уровень EF1 поднимется, и электроны будут переходить из металла 1 на свободный уровень π1. Уровень EF2 понизится, на него будут уходить электроны с уровня π/1. На освободившийся уровень туннелируют электроны, перешедшие на π1. Ток течет от электрода 1 к электроду 2, электроны при движении понижают энергию на каждой ступени.
Если изменить полярность электродов, то на свободный уровень π2 электроны из металла 2 пойдут при гораздо большем напряжении, так как уровень π2 расположен высоко. Таким образом, имеет место односторонняя проводимость.
2. Молекулы–транзисторы
Рассмотрим принципиальную схему молекулярного транзистора на рис. 2.
Молекулярный транзистор – аналог полевого транзистора. Током в канале между истоком и стоком управляет электрическое поле затвора.
Рис. 2. Схема молекулярного транзистора
Затвором служит подложка сильнолегированного Si. Подложка покрыта слоем SiO2 толщиной 30 нм. На диоксид наносили полоску золота шириной ~200 нм и толщиной ~10–15 нм. Полоску, выполнявшую роль проводящей проволочки, очищали и помещали в раствор металлоорганических молекул, содержащих ион Со2+ в ацетонитриле. Затем
методом электромиграции на проволочке (полоске) создавали разрыв шириной ~1–2 нм. Образовавшиеся кусочки золота (1 и 2, см. рис. 2) служили истоком и стоком. В момент разрыва одна из молекул втягивается полем золотых электродов в разрыв и прикрепляется концами – атомами серы – к электродам.
Полученный молекулярный транзистор – одноэлектронный. Островом служит ион кобальта, между ионом и электродами имеются туннельные барьеры. Если величина напряжения на затворе меньше некоторого критического значения (|Uзк| = 1,0 В), то на вольт–амперных характеристиках наблюдаются области кулоновской блокады. При |Uз| ≥ |Uзк| блокада прорывается и ток через транзистор течет даже при очень малых смещениях (напряжениях между истоком и стоком). После прорыва блокады величина тока через молекулы составляет несколько десятых наноампер при напряжении смещения около 0,1В, сопротивление транзистора лежит в пределах 0,1–1 ГОм.
Таким образом, посредством изменения напряжения на затворе транзистор можно переключать из непроводящего состояния в проводящее.
В этом разделе был рассмотрен один из вариантов молекулярного транзистора. В настоящее время существует несколько вариантов таких устройств и способов их изготовления.
3. Молекулярные элементы памяти
Существуют классы молекул, которые могут находиться в двух стабильных состояниях с различными значениями электропроводности. Такие молекулы могут быть использованы в качестве переключателей или элементов памяти. На рис. 3 показан пример катенановой молекулы (катенановыми называются молекулы, в которых одно молекулярное кольцо механически сцеплено с другим кольцом), состояние которой меняется при
подаче напряжения. Длина молекулы – 1 нм, ширина – 0,5 нм.
Рис. 3. Схематическое представление одного из вариантов
молекулярного элемента памяти
На рис. 3,а представлено разомкнутое состояние; в этом состоянии молекула проводит ток хуже, чем при взаимном расположении колец, изображенном на рис. 3,б. Напряжение, которое удаляет электрон (–е–), вызывает окисление. Группа, содержащая атомы серы S, становится положительно ионизованной и электростатически отталкивается от группы, кольцо которой содержит ионы азота N. Это приводит к повороту кольца, расположенного в левой части молекулы рис. 3,а.
Молекула приобретает форму, показанную на рис. 3,б. Такая форма соответствует замкнутому состоянию, так как электропроводность системы колец увеличивается.
Подача напряжения обратной полярности (+е–) вызывает химическое восстановление, и молекула возвращается в состояние, представленное на рис. 3,а.
Состояния, изображенные на рис. 3,а,б, являются стабильными. Под действием внешнего напряжения переход происходит быстро и обратимо. Поэтому такая молекула может быть использована для запоминания информации: «0» – состояние рис. 3,а, «1» – состояние рис. 3,б.
Существует много органических молекул, способных «переключаться» под действием напряжения или света.
Одна из рациональных конструкций молекулярной памяти – прототип системы памяти, использующей в качестве ячеек памяти молекулы протеина. Особенно привлекателен для исследователей бактериородопсин.
Бактериородопсины — семейство мембранных светочувствительных белков, в которых осуществляется перенос протона через плазматическую мембрану. Такой протонный насос управляется световым потоком. Установлено, что на каждый поглощенный фотон через мембрану переносятся два протона — фотоцикл, который представляет собой последовательность структурных изменений молекул при реакции со светом. При этом молекула выполняет функции логического элемента с запоминанием типа И или бистабильной ячейки типа триггера. Логические значения «0» и «1» соответствуют промежуточным состояниям молекулы и годами могут оставаться стабильными. Вместе с тем указанные два состояния имеют заметно отличающиеся спектры поглощения, что делает возможной их идентификацию. Бактериородопсин стал основой создания запоминающего устройства с использованием трехмерной матрицы. Матрица представляет собой прозрачную кювету размером 1x1x2 дюйма, заполненную полиакридным гелем и протеином. Протеин, который находится в состоянии логического нуля (bR–состояние), фиксируется в пространстве при полимеризации геля.
Световой модулятор представляет собой жидкокристаллическую панель, на которой информация отображается в виде матрицы из светлых и темных пикселей. Информационный массив макета состоял из 4096 х 4096 бит. Для записи и считывания информации на базе прибора с зарядовой инжекцией формируется детектор (Charge Injection Device — CID) (рис. 4). На первом этапе активации массива зажигается зеленый «страничный» лазер,
Рис. 4. Молекулярное запоминающее устройство на
бактериородопсине: а – этап активизации устройства,
б – этап записи; в – этап считывания информации
который переводит молекулы бактериородопсина в состояние логической единицы, или Q–состояние. На этапе записи информации с помощью записывающего лазера красного света, располагающегося под прямым углом по отношению к лазеру желтого света, освещается световой модулятор. С его помощью на пути луча создается транспорант, и поэтому облучению подвергаются только определенные точки страницы. В этих местах молекулы в Q–состоянии и будут представлять двоичную единицу. Оставшаяся часть страницы возвратится в первоначальное bR–состояние и будет представлять нули двоичной логики.
Информация считывается с помощью «страничного» лазера. В этом случае информация переводится в Q–состояние, что позволит в дальнейшем идентифицировать двоичные нули и единицы с помощью различия в спектрах поглощения. Через 2 мс после этого страница облучается красным лазером низкой интенсивности излучения. Низкая интенсивность необходима для того, чтобы предупредить переход молекул в Q–состояние. Молекулы, представляющие двоичный нуль, поглощают красный свет, а представляющие двоичную единицу не реагируют на него. Формируется рисунок из светлых и темных пятен на жидкокристаллической матрице.
На этапе стирания молекулы из Q–состояния возвращаются в исходное Q–состояние с помощью короткого импульса синего лазера или с помощью обыкновенной ультрафиолетовой лампы. Для обеспечения целостности данных при выборочном стирании страниц применяется кэширование нескольких смежных страниц. При операциях чтения–записи для защиты от ошибок используется код с общей проверкой на четность. Возможно более 5000 циклов запись–чтение. Каждая страница отслеживается счетчиком, и если происходит 1024 чтения, то страница регенерируется с помощью новой операции записи. Суммарное время выполнения операции чтения или записи составляет ~10 мс. Рассматриваемая система по быстродействию близка к полупроводниковой памяти. Объем памяти кюветы с протеином оценивается величиной порядка одного терабита данных. Информационная емкость ограничена проблемами линзовой системы и качеством протеина. К преимуществам перед полупроводниковой памятью следует отнести малую стоимость протеина, который производится в большом количестве благодаря достижениям генной инженерии. Молекулярная память может функционировать в более широком диапазоне температур, чем полупроводниковая память, она энергонезависима, не содержит движущихся частей, и архив такой памяти весьма информационно емок (~3 Гбит/см2).
Другим подходом к созданию молекулярной памяти является память на углеродных нанотрубках, состоящих из миллионов атомов. Конструкция нанотрубки прочнее стали и обладает электрическими свойствами меди и кремния одновременно. Такой дуализм – идеальное сочетание в процессах формирования наноэлементов вычислительной техники. Геометрические комбинации нанотрубок показали идентичность их свойств диодам, транзисторам, ключевым элементам и другим элементам традиционной кремниевой технологии.
Простым и эффективным решением стало использование прямоугольной сетки нанотрубок одновременно в качестве матрицы ячеек памяти и устройств ввода–вывода. В некотором смысле это известная кроссбар–архитектура вычислительных устройств. Такая структура обеспечивает бистабилыюе электростатически переключаемое состояние в каждом пересечении сетки нанотрубок. Детальный анализ показал, что сила упругости, возникающая в момент, когда верхняя нанотрубка максимально удалена от нижней, и силы Ван-дер-Ваальса, возникающие при сближении трубок в точке их пересечения, определяют два ярко выраженных энергетических состояния ячейки памяти (рис. 5).
Рис. 5. Запоминающее устройство на матрице нанотрубок (а), исходное состояние (б) и после подачи электрического потенциала (в)
В первом состоянии переходное сопротивление между нанотрубками велико, во втором – мало. Обеспечивая электрически притягивающие и отталкивающие силы между нанотрубками в определенных координатах, можно вводить данные. Проблемой является заданная ориентация нанотрубок и их соединение. Эта задача решается химическим путем так, что на нанотрубках закрепляются химические «бирки», которые самоорганизуют нанотрубки в необходимые конструкции. Эта красивая, но пока не реализованная идея названа избирательной функциональностью. Бирки притягивают или отталкивают концы нанопроводников и нанополупроводников, создавая функциональные цепи. Реального решения этой проблемы пока нет. Однако для начала достаточно дополнить существующие предельные кремниевые технологии нанотехнологиями на основе нанотрубок.
Определенные перспективы открывает голографическая запись информации на ниобате лития. При этом плотность записи информации может достигать ~1 Тбит/см3. Технология голографической записи информации была разработана более трех десятилетий тому назад, однако в полной мере еще не реализована.
4. Молекулярные интегральные микросхемы
Имея молекулы–проводники, изоляторы, диоды, транзисторы, логические элементы и переключатели, можно разрабатывать молекулярные интегральные схемы. Размер молекулярного транзистора равен ~1 нм. Если создать ИМС из 109 таких транзисторов, то она будет размером с песчинку. При этом ее производительность возрастет в 102–103 раз, а энергопотребление уменьшится до весьма малых величин.
В настоящее время разработано много вариантов схем молекулярного компьютера. На 1 см2 поверхности возможно размещение ~1013 молекулярных логических элементов. Это в 104 раза больше плотности сборки в современных чипах.
Теоретически время отклика молекулярного транзистора на внешнее воздействие равно ~10–15 с, тогда как в современных устройствах оно составляет ~10–9 с. В итоге эффективность молекулярного компьютера по сравнению с современными должна повыситься ~ в 1010 раз.
Однако ключевая проблема молекулярной электроники – это интеграция молекул в схему. Молекулярное устройство должно представлять собой сложные разветвленные цепи из атомных группировок. Подходы к созданию базовых элементов схем хорошо разработаны, но проблема их интеграции в порядке, обеспечивающем работу схемы, еще далека от решения.
Принцип решения ясен – это должен быть процесс самосборки, основанный на молекулярном распознавании взаимно дополняющих структур. Такой принцип использует природа для создания сложных функциональных структур типа ДНК.
В настоящее время разработаны технологии некоторых простых процессов самосборки. Это – формирование упорядоченных самоорганизованных пленок; синтез по методу Мэррифилда, в котором соединяются «выходы» одних молекул с «входами» других. Получают трехмерные молекулярные структуры типа «решеток», «лестниц» и крестообразных структур (из молекул ДНК).
Молекулы ДНК могут быть присоединены к неорганическим и органическим частицам, кремниевым поверхностям. Это дает возможность создания «гибридных» устройств. Например, разработаны приемы подсоединения нанопроволок к свободным концам ДНК. Созданы ДНК–чипы и ДНК–матрицы – устройства, в которых цепи ДНК закреплены на твердотельной подложке (стекло, кремний и др.). ДНК–матрицы могут включать от 102 до 104 сайтов (участков) на поверхности чипа, размер сайтов – 10–100 мкм, каждый сайт содержит от 106 до 109 аминокислотных последовательностей ДНК. ДНК–чипы уже используются в микробиологических исследованиях. Разрабатываются электронно–активные матрицы ДНК, создающие регулируемые электрические поля на каждом сайте. Поля, образующиеся при реакции гибридизации ДНК, направляют самосборку молекул ДНК на определенных сайтах поверхности чипа. Такие активные устройства способны переносить заряженные молекулы (ДНК, РНК, белки и др.) с заданного сайта на поверхность устройства или наоборот (технология управляемой ДНК–самосборки). В принципе, эта технология дает возможность осуществлять самосборку молекулярных схем (2–мерных и 3–мерных). Существуют и другие методы самосборки агрегатов молекул на твердотельных подложках.
Если использовать органические молекулы в качестве базовых элементов в рамках традиционных схемотехнических и технологических приемов, то ключевой проблемой является проблема контактов. В любом случае для проектирования молекулярных устройств необходимо знать электрическое сопротивление контакта «молекула – соединительный проводник», характеристики молекул–диодов, молекул–триодов, молекул–
переключателей. Для экспериментального определения этих величин надо подсоединить источник тока, амперметр, вольтметр к концам индивидуальной молекулы.
Лекция 5
Электронные приборы на наноструктурах
Высокая степень интеграции, характерная для современной кремниевой технологии, не может быть достигнута при использовании полупроводниковых соединений AIIIBV, однако эти соединения обеспечивают большее быстродействие, прежде всего, за счет высокой подвижности р носителей и меньших значений эффективной массы электронов в таких соединениях. Подвижность носителей в GaAs примерно на порядок превышает соответствующее значение для чистого кремния. А скорость электронов в полупроводниковых материалах под влиянием внешнего электрического поля является основным параметром при проектировании новых высококоскоростных электронных приборов. MODFET на основе модулировано–легированных квантовых гетероструктур могут обеспечить очень высокое быстродействие благодаря очень высоким значениям μ при продольном транспорте электронов.
Граничная частота таких устройств обычно превышает соответствующие значения для полевых МОП–транзисторов на кремниевой основе, а также полевые транзисторы с барьером Шоттки в качестве затвора (MESFET) на основе GaAs. Необходимо также упомянуть, что высокая подвижность электронов в этих структурах является следствием квантования электронных состояний в образующихся двумерных системах, а также высокого совершенства изготовляемых поверхностей раздела AlGaAs–GaAs.
На рис. 1 представлена зависимость рабочей частоты (в ГГц) различных типов модулировано–легированных полевых транзисторов от длины затвора (в микронах).
Благодаря своим характеристикам такие устройства получили также название полевых транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ). Для сравнения на рис. 1 приведены также типичные характеристики кремниевых полевых МОП–транзисторов и полевых транзисторов с барьером Шоттки на основе GaAs. Значения частот приводятся для комнатной температуры (300 К), хотя стоит отметить, что они гораздо выше при температуре около 0К вследствие роста подвижности при низких температурах. В настоящее время уже существуют модулировано-легированные полевые транзисторы с длиной затвора около 100 нм и рабочей частотой при комнатной температуре порядка нескольких сотен гигагерц (ГГц).
Рис.1 Зависимость максимальной рабочей частоты различных типов
транзисторов (MODFET, MESFET и полевых МОП–транзисторов)
от длины затвора
Использование квантовых гетероструктур не ограничивается полевыми транзисторами, в которых транспорт электронов осуществляется лишь параллельно поверхности квантовой ямы, а включает также транзисторы, в которых транспорт происходит перпендикулярно поверхности раздела гетероструктуры. Работа таких транзисторов основана на приложении разности потенциалов к эмиттеру, базе и коллектору, что напоминает механизм действия биполярных транзисторов.
Максимальная рабочая частота биполярных транзисторов ограничивается временем пролета носителей заряда через базу. Гетеропереходные биполярные транзисторы (НВТ) на основе переходов в AlGaAs – GaAs или Si – Ge позволяют значительно повысить ряд важных параметров, таких, как предельная частота (частота отсечки), (β–фактор, сопротивление базы и т. п. по сравнению с обычными кремниевыми биполярными транзисторами.
Обсуждая возможности создания транзисторов новых типов, следует особо отметить еще один очень интересный квантовый эффект, а именно так называемое резонансное туннелирование. При самом простом описании диоды с резонансным туннелированием (RTD), действующие на основе этого эффекта, представляют собой квантовую яму, окруженную двумя потенциальными барьерами, достаточно тонкими для того, чтобы через них могло осуществляться туннелирование электронов. Время пролета электронов через такую гетероструктуру чрезвычайно мало, вследствие чего устройства на основе RTD обладают исключительным быстродействием и могут работать при частотах порядка 1 ТГц. Объединяя RTD с биполярным или полевым транзистором, можно создать так называемые транзисторы с резонансным туннелированием (RTT). В этих транзисторах структура с резонансным туннелированием инжектирует горячие электроны (т. е. электроны с высокой кинетической энергией) в активную область транзистора, что позволяет создавать так называемые транзисторы на горячих электронах (НЕТ).
Снижение характерных размеров приборов в нанометровый диапазон приводит к заметному уменьшению числа электронов, соответствующих прохождению электрического сигнала через прибор. Эта тенденция неизбежно подводит к созданию так называемых одноэлектронных транзисторов (SET). Характеристики одноэлектронных транзисторов определяются эффектом кулоновской блокады, проявляющимся в нульразмерных полупроводниковых структурах, типа квантовых точек. Электронный ток через квантовую точку в одноэлектронном транзисторе, соединенном с выводами посредством туннельных переходов, позволяет контролировать поток электронов «поштучно» подачей сигнала на электрод, который в данном случае ведет себя подобно вентилю (затвору) транзистора.
1. Модуляционно–легированные полевые транзисторы (MODFET)
Наличие потенциальной ямы очень малых размеров, сформированной в гетеропереходах структуры AlGaAs–GaAs, может приводить к квантованию уровней энергии, соответствующих движению электронов в направлении, перпендикулярном поверхности раздела, хотя движение электронов в плоскости, параллельной поверхности раздела, практически не отличается от движения свободных частиц. При этом отмечалось, что подвижность электронов в этой плоскости может быть исключительно высокой, поскольку возникающие в слое AlGaAs электроны поступают в нелегированный слой GaAs, где отсутствует рассеяние на примесных атомах и они могут двигаться параллельно поверхности раздела совершенно свободно под воздействием электрического поля. Именно на этом принципе с начала 1980–х г. начали создаваться полевые транзисторы с высокой подвижностью носителей (НЕМТ), которые иногда называют полевыми транзисторами с модулированным легированием (MODFET), так как в них используются модулировано–легированные гетеропереходы, а их действие основано на возможности регулирования движения электронов вдоль канала воздействием электрического поля.
Модулировано–легированные полевые транзисторы (MODFET), которые уже нашли много полезных применений в высокочастотной технике, могут служить наглядным примером приборов, в которых высокие технические характеристики достигаются за счет использования квантового поведения электронов, локализованных в нанометровых потенциальных ямах с размерами меньше длины волны де Бройля электронов
Полевые транзисторы на гетероструктурах имеют слоистую структуру, позволяющую создавать двумерный электронный газ с высокой подвижностью. На рис. 2,а схематически представлено сечение типичного модулировано–легированного полевого транзистора (MODFET), включающего в себя все привычные электроды транзистора (сток, исток и затвор).
Рис. 2. (а) Схема сечения типичного модулировано–легированного полевого транзистора (MODFET или НЕМТ); (б) схематическое строение зоны проводимости в направлении, перпендикулярном структуре
Диаграмма (а точнее, структура зоны проводимости в направлении, перпендикулярном структуре) приведена на рис. 2,б. Наиболее характерной особенностью транзисторов этого типа выступает квантовая яма для электронов, образующаяся между n-легированным слоем полупроводника AlGaAs и слоем обычного, нелегированного GaAs. Квантовая потенциальная яма в гетероструктурах AlGaAs–GaAs формируется на поверхности раздела из-за того, что ширина запрещенной зоны AlGaAs (Еg ~ 2 эВ) значительно превышает ширину зоны в GaAs (Еg ~ 1,41 эВ). Обычно ширина такой квантовой ямы (приблизительно треугольной формы) составляет около 8 нм, т. е. является настолько тонкой, что электронный газ действительно может образовывать двумерную систему. На рис.2,б показан только один энергетический уровень. Прослойка из нелегированного AlGaAs вводится в структуру для того, чтобы еще больше удалить проводящий канал от слоя AlGaAs n–типа (где генерируются носители) и тем самым повысить подвижность электронов вследствие ослабления взаимодействия с ионизированными донорами. Типичная ширина такой прослойки составляет около 50 А.
Легко заметить, что показанная на рис. 2 структура MODFET или НЕМТ очень похожа на полевые МОП–транзисторы, у которых потенциальная яма для электронного канала также располагалась на поверхности раздела структуры Si – SiO2. Обычный режим работы полевых транзисторов с высокой подвижностью носителей (НЕМТ) похож на режим полевых МОП–транзисторов, в которых поток электронов движется от истока к стоку под воздействием приложенного напряжения. Такой ток может модулироваться сигналом напряжения, подаваемым на затвор. Аналитическое выражение для зависимости тока насыщения Idsat от напряжения на затворе Vg имеет вид: Idsat ~(Vg – Vт)2, где величина Vт – величина порогового напряжения. Поэтому вольтамперные характеристики модулировано–легированных полевых транзисторов очень похожи на характеристики полевых МОП–транзисторов. Скорость переключения и высокочастотные характеристики таких транзисторов могут быть повышены за счет уменьшения времени пролета электронов tr, для чего конструкторы таких устройств стремятся максимально сократить длину затвора L (которая обычно составляет около 100 нм), одновременно стараясь увеличить ширину затвора, поскольку это позволяет повысить величину сигнала и так называемую крутизну транзистора. Известно, что для изготовления полевых транзисторов с барьером Шоттки для достижения высокой крутизной необходимо использовать высоколегированные материалы (с уровнем легирования порядка 1018–1019 см-3), что ограничивает дрейфовую скорость электронов из–за рассеяния на большом числе примесных атомов. Таким образом, использование модулировано–легированных полевых транзисторов представляет конструкторам приборов дополнительные преимущества, так как в таких структурах транспорт носителей осуществляется в нелегированном слое (GaAs).
В настоящее время модулировано–легированные полевые транзисторы доминируют на рынке малошумящих приборов, так как они способны работать в очень широком диапазоне частот: от микроволновых до частот около 100 ГГц (см. рис.1). В новейших гетероструктурах систем AlGaAs– InGaAs – GaAs не только квантовая локализация электронов в ямах более эффективна, чем в гетеропереходах на основе AlGaAs–GaAs, но и электроны двигаются в слое InGaAs с более высокой дрейфовой скоростью насыщения, чем в GaAs. Крутизна такого транзистора достигает значений 100 мС/мм, частота отсечки составляет около 100 ГГц, а уровень шумов составляет лишь 2 дБ.
Такие высокие характеристики достигаются за счет уменьшения расстояния затвор–канал (из–за более резких барьеров) и снижения паразитных емкостей системы. По всем этим причинам модулировано–легированные полевые транзисторы превосходят другие приборы при усилении сигналов в микроволновом диапазоне, вплоть до частот 300 ГГц, т. е. примерно в шесть раз превышают по быстродействию лучшие из транзисторов, изготовленных на основе МОП–технологий при заданном уровне литографического разрешения. Модулировано–легированные полевые транзисторы могут также изготовляться на основе структур SiGe, однако такие устройства не выпускаются промышленно из–за относительно высоких значений токов утечки.
2. Биполярные транзисторы на гетеропереходах
Основной целью конструкторов гетеропереходных биполярных транзисторов является обеспечение максимального значения коэффициента усиления β при возможно более высоких рабочих частотах. Максимальная рабочая частота зависит от многих факторов, в число которых входят геометрические размеры и степень легирования областей эмиттера, базы и коллектора.
Для повышения значений β необходимо, чтобы значения двух важных параметров системы (а именно коэффициент усиления по току α и коэффициент инжекции эмиттера γ) были максимально близки к единице (упомянутые параметры являются стандартными при описании биполярных транзисторов). Из этих требований сразу вытекает, что степень легирования эмиттера должна быть намного выше, чем базы. При этом, однако, следует учитывать, что очень высокая степень легирования полупроводника уменьшает в нем ширину запрещенной зоны, например, при степени легирования 1020 см-3 ширина запрещенной зоны уменьшается на 14%, что приводит к уменьшению коэффициента инжекции носителей из области эмиттера в область базы. Поэтому почти сразу после изобретения биполярных транзисторов с однородными переходами Шокли предложил изготовлять эмиттер транзистора на основе полупроводников с более широкой запрещенной зоной, что должно было уменьшить число носителей, инжектируемых из базовой области в область эмиттера, и тем самым повысить общий коэффициент инжекции эмиттера. Позднее, в 70–х годах началось коммерческое производство биполярных транзисторов на гетеропереходах (НВР).
На рис. 3,а показана разница, возникающая в зонной структуре npn–транзисторов с гетеро– и гомопереходами. Следует особо отметить, что в последнем случае (рис.3,б) ширина запрещенной зоны эмиттера превышает ширину зоны базы, вследствие чего барьер для инжекции электронов из эмиттера в базу (еVn) оказывается ниже соответствующего значения для дырок (eVp), что и проявляется в значительном повышении коэффициента β. Даже небольшое изменение высоты барьера может очень сильно влиять на процесс инжекции, который описывается квазиэкспоненциальной зависимостью от высоты барьера.
Рис. 3. Зонная структура при поляризации в активной зоне (а) транзистора на гомопереходе и (б) гетеропереходного биполярного транзистора (НВТ)
Действительно, коэффициент β пропорционален отношению концентрации легирующей примеси в эмиттере и базе, а также члену, exp(ΔEg/kT)где ΔEg – разность между большей шириной запрещенной зоны в эмиттере и меньшей – в базы. При комнатных температурах (когда kТ ~ 0,026 эВ) небольшая разница в значениях ΔEg позволяет значительно изменить величину коэффициента β. Сказанное позволяет считать, что гетеропереходные биполярные транзисторы предоставляют богатые возможности для создания транзисторов с высокой степенью легирования базы, малым сопротивлением базы и малым временем пролета электронов через базовую область. Кроме того, можно даже уменьшать степень легирования базы, вследствие чего должна уменьшаться паразитная емкость, связанная с переходом эмиттер – база. Одновременное уменьшение сопротивления базы и емкости перехода эмиттер – база очень важно для повышения высокочастотных рабочих характеристик приборов на основе описываемых гетеропереходных биполярных транзисторов.
Другой важной особенностью гетеропереходов является возможность создания гетеропереходных биполярных транзисторов с базой переменного состава, в которых ширина запрещенной зоны постепенно уменьшается от эмиттера к коллектору (рис.4,а). В такой системе создается внутреннее электрическое поле, позволяющее ускорять электроны при прохождении базовой области и тем самым дополнительно повышать быстродействие транзисторов. В предельном случае, когда область коллектора такого транзистора также изготовлена из полупроводника с широкой запрещенной зоной (как показано на рис.4,б), пробивное напряжение на переходе база –коллектор может быть значительно увеличено. Кроме того, такие структуры (называемые двойными гетеропереходными биполярными транзисторами, DHBT) позволяют менять местами эмиттер и коллектор, что значительно расширяет возможности конструирования различных интегральных схем.
Гетеропереходные биполярные транзисторы (НВТ) обычно создаются на основе полупроводниковых соединений А3В5, что обусловлено хорошими характеристиками гетеропереходов в структурах AlGaAs – GaAs и высокой подвижностью электронов. Типичные НВТ обычно имеют длину базы около 50 нм и являются высоколегированными (порядка 1019 см-3). Такие транзисторы обычно имеют рабочую частоту около 100 ГГц, что значительно выше соответствующих параметров для кремниевых биполярных транзисторов. Дальнейшее повышение высокочастотных характеристик связано с использованием гетеропереходов в системах InGaAs–InAIAs и InGaAs – InP, что позволяет получать рабочие частоты до 200 ГГц. Очень ценной особенностью НВТ на основе полупроводников класса является то, что они легко интегрируются в одну схему, включающую как электронные, так и оптоэлектронные приборы. На этой основе уже началось производство так называемых оптоэлектронных интегральных схем (OEIC), включающих в себя полупроводниковые лазеры, что представлялось невозможным в рамках привычных, кремниевых технологий.
Некоторые исследовательские проекты нацелены на создание гетеропереходных биполярных транзисторов на основе кремниевой технологии, что позволит использовать в них кремниевые полупроводниковые соединений с широкой запрещенной зоной. Одним из таких соединения является карбид кремния SiC (для которого ширина запрещенной зоны изменяется от 2,3 эВ для кубической модификации до более чем 3 эВ для гексагональных модификаций), а другим, весьма интересным для проектировщиков веществом выступает аморфный гидрогенизированный кремний (ширина зоны – 1,6 эВ). Техническая проблема при использовании этих материалов связана с высоким сопротивлением эмиттера, обусловленным либо свойствами самих материалов, либо металлическими контактами. По–видимому, наиболее перспективными кремниевыми материалами для получения НВТ являются сплавы на основе SiGe, в которых гетеропереходы могут быть сформированы вследствие того, что ширина запрещенной зоной в кремнии равна 1,12 эВ, а в германии – 0,66 эВ. Приборы с гетероструктурами Si – SiGe были созданы лишь в 1998 г. (т. е. значительно позднее приборов на GaAs и других соединениях класса AIIIBV), что легко объясняется недостаточным развитием методов эпитаксиального роста SiGe. Для изготовления НВТ на основе Si или SiGe необходимо, чтобы в создаваемой структуре сразу после кремниевой области эмиттера располагалась область базы SiGe, в которой ширина запрещенной зоны намного меньше, чем в Si, поскольку именно такая разница в ширине запрещенной зоны позволяет создавать в области базы относительно высокую концентрацию легирующих примесей, что и обеспечивает высокую рабочую частоту структуры, сравнимую с частотой приборов на основе соединений AIIIBV.
Частота отсечки промышленно выпускаемых гетеропереходных биполярных транзисторов в настоящее время превышает 100 ГГц, а в опытных образцах – даже 400 ГГц. Такие высокие значения частоты отсечки частично связаны с использованием структур со сжимающими механическими напряжениями, что позволяет менять энергетическую структуру в напряженных слоях, в результате чего происходит уменьшение эффективной массы носителей. Повышение подвижности носителей при этом может достигать 60%.
Конечным результатом описанных приемов стало создание базовых областей с плавным изменением состава х в соединениях типа GexSi1-x. Наклон энергетической зоны, возникающий вследствие изменений ширины запрещенной зоны вдоль базовой области, обеспечивает очень высокие значения (вплоть до ~10 кВ/см) встроенного электрического поля, что и позволяет резко уменьшить время прохождения электронами базовой зоны. Такие гетеропереходные биполярные транзисторы (НВТ), конечно, потребляют и рассеивают гораздо больше энергии, чем полевые МОП–транзисторы, однако позволяют работать при гораздо более высоких частотах и при меньшем уровне шумов. Эти преимущества и позволяют рассматривать гетеропереходные биполярные транзисторы на основе SiGe в качестве весьма перспективных приборов.
Рис. 4. (а) Гетеропереходный биполярный транзистор (HBT) с базой переменной ширины запрещенной зоны; (б) двойной гетеропереходный биполярный транзистор (DHBT) с широкой запрещенной зоной полупроводника в области эмиттера и коллектора
3. МДП–структуры. Транзисторы с высокой подвижностью электронов
Исторически к первым типам электронных приборов с размерным квантованием электронного газа следует, по–видимому, отнести транзисторы с изолированным затвором, которые в настоящее время являются наиболее распространенным типом полевых транзисторов. В первую очередь это связано с простотой и высокой технологичностью конструкции, что позволяет использовать транзисторы такого типа в качестве основных компонентов интегральных микросхем. Устройство транзистора с
изолированным затвором показано на рис. 5.
Затвор представляет собой тонкую пленку металла, нанесенную на
поверхность высококачественного диэлектрика – оксида кремния SiO2 или,
реже, нитрида кремния – Si3N4. Исток и сток выполнены в виде
сильнолегированных п+ – областей в подложке – полупроводниковой
пластинке р–типа. Другое название этой конструкции: МОП или МДП–
транзистор является аббревиатурой словосочетаний «металл – оксид –
полупроводник», «металл – диэлектрик – полупроводник».
Рис. 5. Конструкция МДП–транзистора с каналом n–типа
При отсутствии напряжения на затворе сопротивление между истоком
и стоком, определяемое двумя включенными навстречу друг другу р–п
переходами, оказывается очень высоким. Если же подать на затвор достаточно большое положительное напряжение, то возникающее сильное электрическое поле существенно увеличивает концентрацию электронов в тонком поверхностном слое р–полупроводника и изменяет тип его проводимости на противоположный. Этот тонкий слой п–типа, называемый
инверсионным, образует проводящий индуцированный канал, соединяющий
п+ – области истока и стока. При увеличении положительного напряжения затвора толщина п–слоя и его проводимость возрастают, чем и обеспечивается управление выходным током транзистора. При этом величина тока во входной цепи – цепи затвора транзистора оказывается исключительно малой, так как сопротивление изоляции затвора достигает
1012 Ом.
Пороговое напряжение затвора, при котором возникает заметная
проводимость канала, составляет обычно от десятков милливольт до нескольких вольт.
В транзисторах с изолированным затвором канал может быть образован с помощью специально нанесенного на поверхность полупроводника тонкого слоя с противоположным, по отношению к подложке, типом проводимости. Такие приборы носят название МДП–транзисторов со встроенным каналом.
Зонная диаграмма МДП – структуры с индуцированным каналом приведена на рис.6.
Рис.6. Зонная диаграмма МДП– структуры
На металлический затворный электрод, отделенный слоем диэлектрика толщиной d, подается напряжение VЗ, создающее в полупроводнике приповерхностный изгиб зон. Для достаточно больших VЗ этот изгиб может стать порядка ширины запрещенной зоны. При этом в полупроводнике вблизи границы с диэлектриком образуется тонкий инверсионный слой, содержащий носители противоположного знака (в данном случае – электроны). Рассматривая металлический затвор и инверсионный слой как две обкладки плоского конденсатора, легко заключить, что двумерная плотность электронов в слое ns (плотность электронов на единицу площади двумерного электронного газа) будет пропорциональна напряжению на затворе:
, (1)
где εd – диэлектрическая проницаемость диэлектрика; V0 – пороговое напряжение, соответствующее открытию инверсионного канала, т.е. появлению в нем электронов.
Инверсионный слой представляет собой потенциальную яму для электронов, где одной стенкой является граница с диэлектриком, а роль второй стенки играет электростатический потенциал
, (2)
прижимающий электроны к границе. Здесь
E ≈ 4πens /εs (3)
– электрическое поле в инверсионном слое, которое пропорционально
напряжению на затворе, εs – диэлектрическая проницаемость полупроводника.
Особенностью МДП – структур, отличающей их от других квантово –
размерных систем, является возможность управления концентрацией
электронов ns. Она может изменяться в широких пределах при изменении
напряжения на затворе VЗ. Максимальное значение ns определяется максимальным значением напряжения, которое можно приложить к затвору
без риска пробоя диэлектрика. Для кремниевых структур оно имеет порядок
1013 см -2.
Изменение напряжения на затворе меняет одновременно концентрацию
двумерных носителей ns и расстояние между уровнями размерного квантования. Этим МДП–структура отличается от тонкой пленки, где концентрация и энергия уровней определяются соответственно уровнем легирования и толщиной пленки и могут меняться независимо. Существует еще одно различие между МДП–структурами и тонкими пленками.
Последние представляют собой потенциальную яму для обоих типов носителей, и квантование энергии имеет место как для электронов, так и для
дырок. В МДП–структурах, где ограничивающий потенциал имеет электростатическую природу, квантуется энергия лишь одного типа носителей. Для другого типа носителей потенциальная яма отсутствует и спектр остается непрерывным.
При напряжении между стоком и истоком транзистора, равном VС , в
канале будет течь ток:
IС = eμnsVcb/l, (4)
где b, l – ширина и длина канала, μ – подвижность носителей в нем.
Изменяя с помощью затвора концентрацию в канале ns, можем
осуществлять управление током исток – сток аналогично тому, как в обычном транзисторе напряжение базы управляет током коллектор –эмиттер.
Важнейшая характеристика транзистора – крутизна S – в нашем случае
определяется выражением
. (5)
Видно, что крутизна полевого транзистора пропорциональна подвижности носителей. На самом деле полностью использовать преимущества высокой подвижности двумерного газа и получить транзисторы с крутизной, во много раз большей, чем у обычных МДП – транзисторов, не удается. Причина в том, что в реальных приборах для получения высокого быстродействия и высокой плотности интеграции расстояние между истоком и стоком делается весьма малым l
Другие важные параметры – характерное время переключения и энергетические затраты на одно переключение транзистора – также могут быть уменьшены по сравнению со стандартными полевыми транзисторами на однородном газе.
4. Транзисторы на горячих электронах
К настоящему времени разработаны два типа транзисторов, для работы
которых существенное значение имеет тот факт, что электроны, пролетающие через канал или базу, являются горячими, т. е. имеют
кинетическую энергию значительно выше равновесной (kT).
В первом типе транзисторов на основе горячих электронов
используется структура полевого транзистора с высокой подвижностью носителей заряда. В таком транзисторе ток течет в канале, образованном двумерным электронным газом. При увеличении электрического поля в канале температура электронов возрастает и может оказаться настолько высокой, что электроны могут с помощью термоэлектронной эмиссии перейти в слой широкозонного твердого раствора, где их скорость становится малой (рис.7).
Такой механизм протекания тока может привести к образованию отрицательной дифференциальной проводимости канала. Работа полевого транзистора с отрицательным сопротивлением – ПТОС – основана на этом принципе.
Рис.7. Иллюстрация переноса электронов через канал протекания тока с
двумерным электронным газом:
а – в слабом электрическом поле электроны локализованы в одномерной
потенциальной яме; б – в сильном электрическом поле значительная часть
электронов приобретает от поля энергию, достаточную для выхода из
потенциальной ямы.
Возрастание температуры электронов с ростом напряжения сток–исток
приводит к увеличению тока Iгор, протекающего от канала (эмиттера) через
барьер к коллектору, и, следовательно, к уменьшению тока сток–исток, т.е. к
отрицательному дифференциальному сопротивлению канала (рис.8).
Преимущество такого прибора – возможность реализации более быстродействующих режимов работы, т.к. управление током эмиттер–коллектор в этом случае связано с разогревом электронов. Изменение
температуры электронов ограничено наибольшим из двух характерных
времен – временем релаксации энергии и временем изменения электрического поля. Последнее определяется временем пролета электронов
через область сильного поля вблизи стока и может быть в несколько раз короче времени их пролета через весь канал, которое ограничивает собственное быстродействие обычных полевых транзисторов.
Рис.8. Схематическое изображение структуры ПТОС – транзистора
Помимо высокого быстродействия транзисторов на горячих электронах
такого типа привлекает возможность построения на их основе новых
приборов – с расширенными функциональными возможностями. Например, в четырехэлектродной структуре, которая может быть получена добавлением к ПТОС еще одного электрода, подобного стоку или истоку, может быть реализована логическая функция, для выполнения которой на обычных элементах требуется использовать несколько транзисторов.
Изготовление такого транзистора оказалось возможным только после
решения проблем, связанных с выбором полупроводникового материала для
слоя базы, улучшением технологии нанесения слоев, оптимизацией
энергетической структуры транзистора, учетом и использованием квантово –
размерных эффектов. Поиски оптимального построения униполярного
прибора привели к созданию транзистора на горячих электронах с
резонансным туннелированием.
5. Резонансно–туннельный транзистор на квантовой точке (транзистор с резонансным туннелированием)
Двухбарьерная резонансно–туннельная структура представляет собой
диодную, двухэлектродную структуру. Такой резонансно–туннельный диод
может быть использован как отдельный прибор при построении электронных
схем, так и в качестве элемента более сложных транзисторных структур. В
транзисторе на горячих электронах он используется в качестве барьера эмиттер – база. Такой резонансно–туннельный транзистор можно создать, если использовать резонансное туннелирование не через двухбарьерную структуру, а через квантовую точку (рис. 9).
Рис.9. Схематическое изображение структуры резонансно–туннельного
транзистора на основе квантовой точки
Квантовая точка имеет дискретный энергетический спектр. На ее основе можно изготовить резонансно–туннельный диод, если связать ее через туннельно–прозрачные барьеры с двумя электродами. В этом случае
оказывается возможным осуществить управление проводимостью структуры.
Для этого необходимо иметь способ изменения размеров квантовой точки. В таком случае будет меняться положение энергетических уровней в квантовой точке – появляется принципиальная возможность «включать» и «выключать» механизм резонансного туннелирования.
Центральный верхний электрод транзистора круглой формы соединяется с нижним электродом через двухбарьерную резонансно–
туннельную структуру с двумерным электронным газом в центре. Квантовая
точка в этой структуре образуется с помощью третьего электрода – затвора,
кольцом окружающего центральный верхний электрод. При подаче на него
отрицательного потенциала электроны из области двумерного газа под
затвором вытесняются к центру структуры. Таким способом под центральным электродом может быть сформирована квантовая точка, поперечные размеры которой, а, следовательно, и положение энергетических
уровней в ней определяются величиной отрицательного напряжения на затворе. Сдвиг уровней приводит к изменению условий резонансного туннелирования. Положение участков отрицательного дифференцального сопротивления в вольт–амперной характеристике между центральным и нижним электродами зависит от напряжения на затворе – такой прибор имеет
более широкие функциональные возможности, чем просто резонансно– туннельный диод.
Рис.10. ВАХ резонансно–туннельной структуры для простейшей модели
(штриховая кривая) и с учетом уширения уровней (сплошная кривая)
На работе резонансно – туннельного транзистора отрицательно
сказывается наличие неконтролируемых примесей и дефектов в области
квантовой точки и туннельных барьеров (рис.10). Различное положение примесных атомов в области квантовой точки для разных транзисторов
приводит из – за искажений локального потенциала к значительному разбросу характеристик транзисторов. Кроме того, через электронные атомные уровни примеси тоже может происходить резонансное туннелирование – вольт– амперная характеристика транзистора будет иметь в этом случае пики, положение которых не зависит от напряжения на затворе. Но резонансно – туннельные транзисторы потребляют очень малую мощность на одно переключение – в этом их преимущество.
6. Одноэлектронные транзисторы
Управлять движением единичных макрообъектов для своей пользы человек научился очень давно. Возьмем, к примеру, всем известные песочные часы – символ непрерывно уходящего времени. Несмотря на кажущуюся непрерывность, в основе принципа работы таких часов лежат дискретно падающие через узкую горловину песчинки. А можно ли так же легко управлять объектами квантовой природы – отдельными атомами или даже электронами? Оказывается можно! Например, с помощью так называемого одноэлектронного транзистора, который представляет собой переключающее устройство, способное разъединять или соединять электрическую цепь за счет движения единичного электрона.
Принципиальным отличием одноэлектронного транзистора от классического является то, что линейные размеры канала между стоком и истоком лежат в нанодиапазоне, обусловливая проявление квантово-размерных эффектов. Кроме того, одноэлектронный транзистор не усиливает текущий ток, а только управляет переходом электронов, поэтому правильнее было бы называть его переключателем.
Принцип работы одноэлектронного транзистора основан на эффекте так называемой «кулоновской блокады» – скачкообразном изменении потенциальной энергии достаточно малой системы при туннелировании одного электрона и блокировании движения всех остальных. При этом электрический ток в цепи протекает макроскопически регистрируемыми порциями, иначе говоря, в системе проявляется движение единичных зарядов.
Давайте более подробно рассмотрим устройство одноэлектронного транзистора (рис. 11). Как и любой традиционный транзистор, он состоит из трех электродов, два из которых выполняют роль стока и истока, а третий является управляющим (затвор). Только вот между электродами расположен металлический или полупроводниковый «наноостровок» – наночастица или кластер нанометровых размеров (рис.12). При этом толщины «наноостровков» настолько малы, что электрон может туннелировать. Если приложить разность потенциалов между стоком и истоком, то, казалось бы, должен потечь туннельный ток.
Рис. 11. Схематичное устройство одноэлектронного транзистора и
идеализированная зависимость тока от напряжения
Рис. 12. Наночастицы диаметром несколько нанометров между
металлическими электродами
Однако пока потенциал на управляющем электроде будет меньше некоторого порогового значения, туннелирование не наблюдается. Электрон
на наночастице остается изолированным, т.е. «заблокированным». При дальнейшем же увеличении напряжения выше порогового значения блокада электрона прорывается, и в цепи между стоком и истоком происходит перескок электрона – течет туннельный ток.
Таким образом, управляя потенциалом затвора, можно пропускать по цепи единичные электроны. Если пойти дальше и вместо наночастицы поместить между электродами молекулу или молекулярный комплекс, то движение единичных электронов будет осуществляться в результате прыжков по химическим связям – в работу вступят дискретные уровни энергии молекулы (см. Молекулярная электроника). Таким образом, одноэлектронный транзистор рассматривается как предельная степень миниатюризации классического транзистора – то, к чему стремятся все крупнейшие производители вычислительной техники. В настоящий момент работу одноэлектронных транзисторов можно наблюдать только в исследовательских лабораториях, но в будущем их использование в массовом производстве может привести к резкому снижению энергопотребления и тепловыделения электронными схемами, значительному увеличению быстродействия и плотности элементов микросхем. Развитие технологии одноэлектронных транзисторов позволит создать ячейки памяти с большим временем хранения, высокой плотностью записи информации и малой рассеиваемой мощностью, а также высокочувствительные химические/биохимические сенсоры.
|