Лекции_Введение_в_нанотехнологии. Введение в нанотехнологии

• Название: Введение в нанотехнологии
• Дата: 16.10.2022
• Размер: 5.09 Mb.
• Имя файла: Лекции_Введение_в_нанотехнологии.doc
• Тип: Документы; #737269
• страница: 22 из 24

Глава 7. Наноэлектроника. Резонансно-туннельный диод

При более детальном рассмотрении эффекта прохождение электронов через потенциальные барьеры, создаваемые всей совокупностью заряженных частиц при контакте двух, например, полупроводниковых материалов, было установлено несколько интересных фактов. Оказалось, что в структуре со сверхмалыми размерами свойства этого эффекта зависят от энергии электронов внутри самой структуры. В результате чего в наноструктуре с двумя потенциальными барьерами наблюдается резкое возрастание протекающего через нее тока только при совпадении энергии электронов в электроде, поставляющем электроны, и свободного энергетического уровня в наноструктуре. Это явление получило название «резонансное туннелирование».

Явление резонансного туннелирования было впервые описано в 1958 году японским исследователем Л. Эсаки. Однако экспериментальные резонансно-туннельные диоды и транзисторы появились лишь в начале 90-х годов XX века.

Резонансно-туннельный диод представляет собой сложную периодическую структуру (рис. 7.3 а), размеры некоторых областей которой составляют несколько нанометров.

а)	б)
Рис. 7.3. Структура (а) и вольт-амперная характеристика (б) резонансно-туннельного диода

Рассмотрим работу резонансно-туннельного диода. Ток, протекающий через него, зависит от величины приложенного напряжения. Если приложенное напряжение мало, и энергия электронов, проходящих через потенциальный барьер, меньше энергии дискретного уровня, то прозрачность барьера и, следовательно, протекающий ток будут малы. Ток достигает максимального значения при таких напряжениях, когда энергия электронов равна энергии дискретного уровня. При более высоких напряжениях энергия электронов станет больше энергии дискретного уровня, и прозрачность барьера для электронов уменьшится. При этом ток также уменьшится. Вольт-амперная характеристика резонансного туннельного диода показана на рис. 7.3 б. Видно, что на вольт-амперной характеристике имеется максимум и участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 7.3 б – область уменьшения тока при увеличении напряжения), что чрезвычайно привлекательно для создания многоуровневых логических элементов, элементов памяти и твердотельных сверхвысокочастотных генераторов.

Добавление управляющего электрода к резонансно-туннельному диоду превращает его в резонансно-туннельный транзистор и расширяет возможности его применения. Такие транзисторы имеют частоты переключения порядка 10¹² Гц, что в 100-1000 раз выше, чем у самых лучших кремниевых транзисторов из современных интегральных микросхем.

Нанокомпьютеры

Материал из Введение в нанотехнологии.

Перейти к: навигация, поиск

Наноэлектроника в настоящее время вплотную приблизилась к созданию и новых типов вычислительной техники – нанокомпьютеров. Можно предположить, что нанокомпьютеры будут развиваться одновременно по нескольким направлениям, реализующим различные способы представления информации (на основе квантовой логики, классической логики), а также появятся некоторые другие, например, генетические, молекулярно-биологические, молекулярно-механические. Рассмотрим одно из направлений разработки нанокомпьютеров, основанное на теории квантовых вычислений с помощью квантовомеханических логических операций. Устройства, построенные на таком типе вычислений, называются квантовыми компьютерами.

Квантовый компьютер – вычислительное устройство, использующее при работе квантовомеханические эффекты и реализующее выполнение квантовых алгоритмов. Квантовые компьютеры работают на основе квантовой логики.

Идея квантовых вычислений впервые была высказана Ю.И. Маниным в 1980 году, но активно эта проблема стала обсуждаться после появления в 1982 году статьи американского физика-теоретика Р. Фейнмана. В этих работах было предложено использовать для вычислений операции с состояниями квантовой системы. Каждое состояние квантовой системы, в отличие от классической, может находиться в состоянии суперпозиции. В терминах классического компьютера квантовый бит (quantum bit = кубит) в соответствии с законами квантовой механики может находиться одновременно в двух равновероятных состояниях «0» и «1». Тогда два кубита могут быть уже в четырёх смешанных состояниях – 00, 01, 10, и 11, представляя четыре числа сразу. Видно, что увеличение растёт по степенному закону: на m кубитах можно выполнять одновременно вычисление над 2^m числами параллельно. Это значит, что, используя всего несколько сотен кубитов, можно представить одновременно больше чисел, чем имеется атомов во Вселенной. Данный факт также позволяет предполагать такое же увеличение скорости вычислений квантового компьютера по сравнению с классическим. Это предположение основано на том, что при квантовых вычислениях элементарным шагом является отдельная операция над m-кубитной суперпозицией – принцип квантового параллелизма. Иначе говоря, когда в классическом компьютере вычисляется единственное выходное значение для одного входного состояния, в квантовом компьютере вычисляются выходные значения для всех входных состояний. Иначе говоря, квантовый компьютер может за короткое время решать задачи, с которыми современные компьютеры не могли бы справиться в течение сотен лет.

Конечно, на пути практической реализации квантовых компьютеров стоит огромное количество сложнейших теоретических и практических задач. На сегодняшний день предложены варианты конструкции квантовых компьютеров на основе квантовых точек и сверхпроводящих переходов. Более того, есть заявления коммерческих организаций о создании реальных процессоров на базе кубитов, например, компьютер «Orion». Он основан на микросхеме, содержащей 16 «кубитов» (рис. 7.4). Однако здесь необходимо оговориться, что в квантовых компьютерах существуют проблемы, связанные с неоднозначностью интерпретации информации, поэтому заявления о создании квантовых компьютерах ставятся в научном сообществе под сомнение.

а)	б)
Рис. 7.4. 16-q-битный процессор «Orion»: его схема (а) и фотография (б)

Каждый такой кубит состоит из частиц ниобия, окруженных соленоидами. По сути, «Orion» представляет собой аналоговый компьютер, решающий задачи методом физического моделирования. Такой компьютер лучше всего подходит для расчета сложных и занимающих много машинного времени моделей – финансовых, химических или фармацевтических.

Таким образом, все приведенные здесь факты и бурное развитие нанотехнологий позволяют надеяться на то, что фантастические мечты о суперкомпьютерах в скором времени найдут реальное воплощение.

Квантовая оптоэлектроника

Материал из Введение в нанотехнологии.

Перейти к: навигация, поиск

Оптоэлектроника в настоящее время представляет собой раздел физики и техники, занимающийся преобразованием оптического излучения в электрический ток и обратно. Все мы хорошо знакомы с оптоэлектроникой, поскольку более 90% информации, которую получает человек, составляет зрительная оптическая информация. Каждый день мы сталкиваемся на улице со светофорами и рекламными экранами, на концертах и дискотеках наблюдаем лазерные шоу, дома смотрим на экраны компьютеров, телевизоров, мобильных телефонов и пользуемся многими другими устройствами, даже не подозревая о том, что в основе этих устройств лежат нанотехнологии, и работа их основывается на свойствах нанообъектов.

Круг применений устройств оптоэлектроники очень широк. Однако в самой оптоэлектронике можно выделить несколько типов устройств:

• 
  фотоприемники – преобразователи света в электрический ток. Фотоприемник, работающий на принципе изменения сопро­тивления под действием света, называется фоторезистор. Если за основу берут диод или транзистор, такой прибор называется, соответственно, фотодиод или фототранзистор. К фотоприемникам относится также и фотоэлектронный умножитель;
  
• 
  светоизлучательные приборы – преобразователи тока в световое излучение, например, лампы накаливания, электролюминесцентные индикаторы, полупроводниковые светодиоды и лазеры;
  
• 
  оптопары – пара светоизлучательный прибор – фотоприемник, или, по-другому, преобразователи «ток – свет – ток», которые используют для изоляции электрических цепей;
  
• 
  оптоэлектронные интегральные схемы – интегральные микросхемы, в которых осуществляется оптическая связь между отдельными узлами или компонентами.
  

Самыми распространенными приборами, использующими достижения нанотехнологий, являются диоды и лазеры, основанные на p-n-переходах. На основе р-п-переходов создаются источники некогерентного и когерентного излучения.

Когерентные волны (от лат. cohaerens – находящийся в связи) – согласованные колебания световых волн. Световые волны когерентны, если их частота и, соответственно, длина волны одинаковы.

Примером некогерентного источника света может служить светодиод, а когерентного – лазер.

Светоиоды

Материал из Введение в нанотехнологии.

Перейти к: навигация, поиск

Рассмотрим принцип работы светодиода, построенного на гомогенном p-n-переходе или гомопереходе.

Гомопереходом называют p-n-переход, где p- и n-области сделаны из одного материала. Если p- и n-области сделаны из разных материалов, переход называют гетеропереходом.

Светодиод излучает свет только когда ток протекает в прямом направлении. Электроны из n-области попадают в область p-n-перехода, а дырки – из p-области. Как известно, дырки несут положительный заряд и представляют собой отсутствие электронов в химической связи атомов кристаллической решетки. Поэтому при встрече дырки и электрона оба носителя тока исчезают. В результате получается нейтральная химическая связь, состоящая из двух валентных электронов. Подвижный электрон имеет большую энергию, чем находящийся в химической связи, поэтому при столкновении электрона и дырки выделяется энергия в виде кванта света, как показано на рис. 7.5. Понятно, что яркость пропорциональна току светодиода. Однако с увеличением тока растет и тепловой нагрев, что очень сильно ограничивает сферу применения гомогенных светодиодов.



Рис. 7.5. Структура полупроводникового светоизлучающего диода на гомопереходе

Долгое время массовое производство светодиодов ограничивалось приборами, излучающими в красной и инфракрасной областях спектра. Первые зеленые светодиоды стали делать из фосфида галлия GaP, а синие – из карбида кремния SiC. Однако эти материалы создают излучение слабой интенсивности либо быстро перегреваются. Исследования свойств нитридов элементов III группы таблицы Менделеева (AlN, GaN, InN) позволили заключить, что они являются наиболее перспективными материалами для изготовления светодиодов. Эти материалы излучают во всей видимой и ультрафиолетовой областях спектра от 240 до 620 нм. В 70-х годах XX века группа Ж. Панкова из лаборатории компании IBM создала фиолетовые и голубые диоды на основе эпитаксиальных пленок GaN, однако они довольно быстро перегревались и выходили из строя. С развитием нанотехнологий удалось усовершенствовать процесс эпитаксии – выращивания нанометровых слоев от 20 до 100 нм на подложке из другого материала. Такие структуры получили название гетероструктур. В результате в 1989 году Ш. Накамура впервые получил гетероструктуры на основе GaN. Так были созданы светодиоды на гетеропереходах GaInN – GaAlN.

В отличие от гомоперехода, p- и n-области гетероперехода можно очень сильно легировать.

Легирование – это добавление в полупроводник примеси, которая и определяет его тип проводимости – p или n.

При сильном легировании сопротивление этих областей существенно уменьшается. Следовательно, при протекании тока выделяется меньше тепла, чем в гомопереходе. Кроме этого, концентрация электронов и дырок в таких светодиодах будет значительно выше, а значит, будет выше и их яркость. Применяемые современные материалы перекрывают весь видимый диапазон излучения (рис. 7.6-7.7).

Рис. 7.6. Спектры излучения светодиодов на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN (сплошные линии) и AlInGaP/GaP (штриховые линии))

Рис. 7.7. Светодиоды фирмы «СОТСО» с овальной оптикой 110 X 50 град.)

Лазеры

Лазер (англ. LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света с помощью вынужденного излучения) – устройство, использующее вынужденное излучение для создания когерентного потока света. Лазеры излучают волны согласованно, т.е. с одинаковыми частотами, длинами волн и направлением распространения. Полупроводниковый лазер является самым компактным, экономичным и надежным. Именно поэтому его используют в CD- или DVD-плеерах, лазерных принтерах, а также компьютерах. Телефония, интернет, оптическая и другие виды кабельной связи получили «второе дыхание» благодаря применению полупроводниковых лазеров. За 40 лет полупроводниковые лазеры прошли многочисленные этапы развития и усовершенствования и получили самое широкое распространение. Этому способствовало увеличение количества лазерных полупроводников, перекрывающих широкий спектральный диапазон от ультрафиолетового до инфракрасного.

Современный уровень развития нанотехнологий позволяет контролировать рост слоев толщиной всего в один атом, т.е. менее 1 нм. Переход к подобным гетероструктурам позволил снизить плотность тока диодных лазеров примерно в 10⁴-10⁵ раз.

Другой важнейший показатель качества полупроводникового лазера – это ресурс его работы. В первых непрерывных лазерах ресурс был всего несколько секунд, в современных лазерах – до миллионов часов.

Физической основой работы лазера служит явление индуцированного излучения. Дадим краткое описание этого явления.

Излучение, ис­пускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое, называется спонтанным. Спонтанное излучение различных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других. В 1916 году А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона с верхнего энергетичес­кого уровня на нижний с излучением фотона может происходить под влиянием внешнего электро­магнитного поля с частотой, равной собственной частоте пе­рехода. Такое излучение называют вынужденным, или инду­цированным.

Индуцированное излучение возникает при совпадении частоты электромагнитного поля с собствен­ной частотой излучения возбужденного атома, возникающего при переходе на более низкий энергетический уровень (рис. 7.8). Таким образом, в результате взаимодействия возбужден­ного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехо­да, получаются два совершенно одинаковых по энергии и на­правлению движения фотона-близнеца.



Рис. 7.8. К иллюстрации вынужденного излучения: E₂ –энергия возбужденного электрона, E₁ –энергия невозбужденного электрона, E₂-E₁=hν

Работа полупроводникового лазера на основе гетероструктур происходит следующим образом. Через p-n-переход пропускается ток в прямом направлении. Возникает два конкурирующих процесса. С одной стороны, при попадании электрона и дырки в p-n-гетеропереход излучается квант света. С другой стороны, часть невозбужденных электронов поглощает кванты света, тем самым уменьшая интенсивность и мощность излучения. При увеличении тока процесс излучения преобладает над процессом поглощения. В результате возникает состояние инверсной населенности.

Инверсная населенность – состояние, при кото­ром больше половины носителей заряда – электронов находится в возбуж­денном состоянии. При этом на пути фо­тонов чаще встречаются возбужденные электроны, чем невозбужденные, поэтому индуцированное излучение фотонов происходит чаще, чем их поглощение.

Экспериментально явление усиления света при его про­хождении через среду с инверсной населенностью уровней было открыто в 1951 году российскими физиками В.А. Фаб­рикантом, М.М. Вудынским, Ф.А. Бутаевой.

Использование лазеров на гетероструктурах также позволило уменьшить пороговый ток – минимальный ток, при котором лазер способен когерентно излучать. Впервые уменьшение порогового тока и размеров активной области за счет использования гетеропереходов было получено Ж.И. Алферовым. Примером гетеролазера может служить лазер, показанный на рис. 7.9. Как видно из рисунка, в такой структуре избыточные носители сосредоточены внутри активной области (квантовой ямы InGaN), ограниченной с обеих сторон потенциальными барьерами (GaN), что исключает их распространение в прилегающие области.



Рис. 7.9. Структура эпитаксиальных слоев инжекционного лазера на квантовых ямах

Лазеры на квантовых ямах обладают преимуществами по сравнению с обычными полупроводниковыми лазерами. Характеристиками таких приборов можно управлять, меняя параметры квантовой ямы: при уменьшении размеров ямы частота излучения, генерируемая лазером, возрастает. Изменяя толщину квантовой ямы, можно уменьшить затухание излучения. По сравнению с полупроводниковыми лазерами, в лазерах на квантовых ямах легче создать инверсную населенность из-за локализации носителей заряда в пространстве. Поэтому лазеры на квантовых структурах очень экономны и обладают высоким коэффициентом полезного действия – до 60% электрической мощности преобразуется в свет.

Развитие технологии структур с пониженной размерностью привело к созданию полупроводниковых лазеров на квантовых точках и квантовых нитях. Использование структур с квантовыми точками позволяет уменьшить температурную чувствительность параметров лазера. Кроме того, все важнейшие для применения характеристики материала зависят от геометрического размера и формы квантовой точки, что позволяет использовать полупроводниковые материалы одного и того же состава для реализации приборов с различными функциями. А более низкая размерность по сравнению с квантовыми ямами приводит к новым спектральным диапазонам лазерного излучения.