Реферат- Введение в наноэлектронику. Введение в наноэлектронику. Методы зондовой нанотехнологии. 1 Физические основы зондовой нанотехнологии

• Название: Методы зондовой нанотехнологии. 1 Физические основы зондовой нанотехнологии
• Анкор: Реферат- Введение в наноэлектронику
• Дата: 18.11.2022
• Размер: 3.55 Mb.
• Имя файла: Введение в наноэлектронику.rtf
• Тип: Документы; #796308
• страница: 12 из 15

.9 Гетероструктурный транзистор на квантовых точках

Транзисторы на квантовых точках представляют тип приборов на горячих электронах, весьма перспективный для СВЧ-электроники.

На рисунке 14 представлена структура модулированно-легированного транзистора с квантовыми точками.


Рисунок 14 - Структура модулированно-легированного транзистора с квантовыми точками: 1 - нелегированный слой GaAs; 2 - δ(Si)-слой; 3, 4 - InAs

Такие гетероструктуры растят по модели Странски-Крастанова, согласно которой эпитаксиальный слой формируется на подложке с другими параметрами решетки. Квантовые точки возникают в слое, если его толщина превышает некоторое критическое значение.

Подвижность и концентрация электронов в двумерном газе уменьшаются из-за наличия квантовых точек. Это означает, что квантовыми точками захватывается меньшее число электронов.

Транспорт электронов в гетероструктурах с квантовыми точками имеет две компоненты. Одна компонента формируется подвижными электронами из двумерного газа и соответствует насыщению их дрейфовой скорости, другая обусловлена электронами, локализованными в квантовых ямах. Вторая компонента дает вклад в электронный транспорт только в сильных электрических полях.

В транзисторах на квантовых точках концентрация участвующих в транспорте электронов в сильных полях не зависит от напряжения на затворе. Пороговое же напряжение, необходимое для эмиссии электронов из квантовых точек, уменьшается, когда напряжение на затворе становится отрицательным.

Если в МОП-транзисторных структурах происходит запирание транзистора при отрицательных напряжениях на затворе, то в транзисторах на квантовых точках ток стока в области малых напряжений на стоке имеет тенденцию увеличения.

.10 Нанотранзисторы на основе углеродных нанотрубок

На рисунке 15 представлена конструкция нанотранзистора на основе углеродной нанотрубки, которая по диаметру меньше толщины человеческого волоса и представляет собой циклическую структуру, обод которой составляет порядка десятков атомов углерода.



Рисунок 15 - Схема нанотранзистора на углеродной нанотрубке
Транзисторы на нанотрубках выгодно отличаются от всех вышерассмотренных типов меньшими размерами и меньшим энергопотреблением.

Транзисторы выполняются на кремниевой подложке, покрытой слоем окисла.

5. Основы одноэлектроники

.1 Эффект одноэлектронного туннелирования

Одноэлектронные устройства представляют собой перспективные наноэлектронные приборы, основанные на эффекте дискретного туннелирования отдельных электронов и обеспечивающие улътранизкие уровни потребляемой энергии при ультранизких рабочих напряжениях.

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.

Эффект дискретного одноэлектронного туннелирования состоит в том, что в переходах с малой собственной емкостью в результате туннелирования одиночного электрона изменяется напряжение на туннельном переходе на величину так, что справедливо выражение (12).

Рассмотрим туннельный переход между двумя металлическими контактами и тонким слоем диэлектрика между ними. Такая конструкция, по сути, является плоским конденсатором. Вследствие нанометровых размеров туннельных переходов электрический заряд в емкости перехода квантуется. В этом случае при определенных условиях можно блокировать процесс туннелирования электронов.

Сразу же после того, как какой-то электрон перешел сквозь изолятор незаряженного перехода, на переходе появляется напряжение, препятствующее движению следующих частиц. Этот эффект называется кулоновской блокадой.

Кулоновская блокада представляет собой явление отсутствия тока из-за невозможности туннелирования электронов вследствие их кулоновского отталкивания при приложении напряжения к туннельному переходу.

Таким образом, очередной электрон пройдет через изолятор только тогда, когда предыдущий удалится от перехода. Это обеспечивает перескакивание электронов с проводника на проводник через определенные промежутки времени, так называемые одноэлектронные осцилляции. Частота таких перескоков определяется формулой (13).
,
где - частота одноэлектронных осцилляций, Гц.

Эффект кулоновской блокады позволяет управлять процессом туннелирования электронов. Для преодоления кулоновской блокады необходимо приложить к туннельному переходу напряжение, определяемое по формуле (14).
,
где - напряжение кулоновской блокады.

Процесс протекания тока через одиночный туннельный переход происходит в несколько стадий. На первой стадии граница между металлом и диэлектриком является электрически нейтральной. На второй стадии к металлическим обкладкам прикладывается электрический потенциал, и на границе раздела накапливается заряд. На третьей стадии происходит накопление заряда до тех пор, пока его величины не будет достаточно для преодоления туннельного перехода через диэлектрик. На четвертой стадии после акта туннелирования система возвращается в исходное состояние. При сохранении приложенного напряжения цикл повторяется снова.

Для наблюдения эффекта кулоновской блокады необходимо, чтобы выполнялось условие (15).

Для каждого одноэлектронного устройства существует своя критическая температура, выше которой оно перестает работать, так как за счет теплового движения электроны приобретают такую большую энергию, что могут прорвать кулоновскую блокаду. Эта температура обратно пропорциональна площади перехода: чем меньше его емкость, тем больше скачок напряжения, и тем выше барьер кулоновской блокады.

Эквивалентные схемы замещения туннельного перехода представлены на рисунке 16.


Рисунок 16 - Эквивалентные схемы замещения туннельного перехода
Переход характеризуется сопротивлением и емкостью , - паразитная емкость подводящих контактов. Если паразитная емкость больше собственной емкости перехода, то емкость системы будет определяться паразитной емкостью. Таким образом, для того, чтобы емкость контактов не шунтировала емкость перехода, была предложена схема с последовательным включением туннельных переходов.