Квантово- размерный эффекты , их применение в радиоэлектронных приборах.

ВВЕДЕНИЕ
1. ПРИНЦИП РАЗМЕРНОГО КВАНТОВАНИЯ
2. МДП-СТРУКТУРЫ. ТРАНЗИСТОРЫ С ВЫСОКОЙ ПОДВИЖНОСТЬЮ ЭЛЕКТРОНОВ
3. ТРАНЗИСТОРЫ НА ГОРЯЧИХ ЭЛЕКТРОНАХ
4. РЕЗОНАНСНО-ТУННЕЛЬНЫЙ ТРАНЗИСТОР НА КВАНТОВОЙ ТОЧКЕ
5.КВАНТОВО-ТОЧЕЧНЫЕ КЛЕТОЧНЫЕ АВТОМАТЫ И БЕСПРОВОДНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ЛОГИКА
ЛИТЕРАТУРА

Квантово- размерный эффекты , их применение в радиоэлектронных приборах.

Зонная диаграмма МДП-структуры с индуцированным каналом приведена на рис.3.
Рис.3. 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 n s (плотность электронов на единицу площади двумерного электронного газа) будет пропорциональна напряжению на затворе:
(4)
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
(5)
прижимающий электроны к границе. Здесь
(6)
- 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:
где b, l - ширина и длина канала, - 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
(7)
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 < 1мкм. При этом напряженность поля в канале настолько велика, что дрейфовая скорость электронов не пропорциональна полю, а выходит на насыщение. В результате крутизна слабее зависит от подвижности носителей.
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.
3. 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 равновесной5.
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.4).
Такой механизм протекания тока может привести к образованию отрицательной дифференциальной проводимости канала. Работа полевого транзистора с отрицательным сопротивлением – ПТОС – основана на этом принципе.
Рис.4. 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.5).
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.5. 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.
4. РЕЗОНАНСНО-ТУННЕЛЬНЫЙ ТРАНЗИСТОР НА КВАНТОВОЙ ТОЧКЕ
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. 6).
Рис.6. 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.