Электронные и оптоэлектронные устройства наноэлектроники

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Гетероструктурные полевые транзисторы

Полевой транзистор – транзистор, в котором сила проходящего через него тока регулируется внешним электрическим полем, т.е напряжением. Это принципиальное различие между ним и биполярным транзистором, где сила основного тока регулируется управляющим током.

Поскольку у полевого транзистора нет управляющего тока, то у него очень высокое входное сопротивление, достигающее сотен ГигаОм и даже ТерраОм (против сотен КилоОм у биполярного транзистора).

Полевые транзисторы иногда называют униполярными, поскольку носителями электрического заряда в нем выступают только электроны или только дырки. В работе же биполярного транзистора, как следует из названия, участвует одновременно два типа носителей заряда – электроны и дырки.

Полевые транзисторы (FET: Field-Effect-Transistors) разделяются на два типа – полевой транзистор с управляющим PN-переходом (JFET: Junction-FET) и полевой транзистор с изолированным затвором (MOSFET: Metal-Oxid-Semiconductor-FET).

Каждый из типов может быть как с N–каналом, так и с P-каналом. У транзисторов с N-каналом в роли носителей электрического заряда выступают электроны. У транзисторов с P-каналом – дырки. Более подробно остановимся на полевом транзисторе с управ-ляющим PN-переходом JFET c N-каналом. Принцип работы транзистора P-типа аналогичен, только меняется полярность источников напряжения. Область полу-проводника N-типа формирует канал между зонами P-типа. Электроды, подключаемые к концам N-канала, называются сток и исток. Полупроводники P-типа электрически соединяются между собой (закорачиваются), и представляют собой один электрод – затвор.

Вблизи стока и истока находятся области повышенного легирования N+. T. e. зоны с повышенной концентрацией электронов. Это улучшает проводимость канала. Кроме этого, наличие областей N+ ослабляет эффект появления паразитических PN-переходов в случае присоединения проводников из трехвалентного алюминия.

 

Имена электродов сток и исток носят условный характер. Имя электрода будет зависеть от его расположения в электрической цепи.

 

4.1 Работа полевого транзистора с n-каналом.

1. Напряжение на затворе Uзи = 0

Подключим источник положительного напряжения к стоку, землю к истоку. Затвор также подсоединим к земле (Uзи = 0). Начнем постепенно повышать напряжение на стоке Uси. Пока Uси низкое, ширина канала максимальна. В таком состоянии полевой транзистор ведет себя как обычный проводник. Чем больше напряжение между стоком и истоком Uси, тем больше ток через канал между стоком и истоком Iси. Это состояние еще называют омическая область.

При повышении Uси, в полупроводнике N-типа в зонах PN-перехода постепенно снижается количество свободных электронов – появляется обедненный слой. Этот слой растет несимметрично – больше со стороны стока, поскольку туда подключен источник напряжения. В результате канал сужается настолько, что при дальнейшем повышении Uси, Iси будет расти очень незначительно. Это состояние называют режим насыщения.

2. Напряжение на затворе Uзи < 0

Когда транзистор находится в режиме насыщения, канал относительно узкий. Достаточно подать небольшое отрицательное напряжение на затвор Uзи, для того чтобы еще сильнее сузить канал и значительно уменьшить ток Iси (для транзистора с P-каналом на затвор подается положительное напряжение ). Если продолжить понижать Uзи, канал будет сужаться, пока полностью не закроется, и ток Iси не прекратится. Значение Uзи, при котором ток Iси останавливается, называется напряжение отсечки (Uотс).

Для усиления сигнала полевой транзистор JFET используют в режиме насыщения, так как в этом состоянии вследствие небольших изменений Uзи сильно меняется Iси. Параметр усилительной способности JFET – это крутизна стоко-затворной характеристики (Mutual Transconductance). Обозначается gm или S, и измеряется в mA/V (милиАмпер/Вольт).

Одно из важнейших свойств полевых транзисторов, это очень высокое входное сопротивление Rвх (Rin). Причем у полевых транзисторов с изолированным затвором MOSFET, Rin в среднем еще на несколько порядков выше, чем у JFET. Благодаря этому, полевые транзисторы практически не потребляют ток у источников сигнала, который надо усилить.

 

5 Одноэлектронный транзистор

Одноэлектронный транзистор (англ. Single-electron transistor, SET) - транзистор, в основе концепции которого лежит возможность получения заметных изменений напряжения при манипуляции с отдельными электронами. Такая возможность имеется, в частности, благодаря явлению кулоновской блокады.

Впервые о возможности создания одноэлектронных транзисторов на основе кулоновской блокады сообщили в 1986 г. советские учёные К. К. Лихарев и Д. В. Аверин. В 1996 г. российские физики С. П. Губин, В. В. Колесов, Е. С. Солдатов, А. С. Трифонов, В. В. Ханин, Г. Б. Хомутов, С. А. Яковенко впервые в мире создали одноэлектронный молекулярный нанокластерный транзистор, работающий при комнатной температуре.

Аналогично полевому полупроводниковому транзистору, одноэлектронный транзистор имеет три электрода: исток, сток и затвор. В области между электродами располагаются два туннельных перехода, разделённых дополнительным металлическим или полупроводниковым электродом с малой ёмкостью, который называется «островом». Остров представляет собой наночастицу или кластер нанометровых размеров, изолированный от электродов диэлектрическими прослойками, через которые и может при определённых условиях происходить движение электрона. Электрический потенциал острова может регулироваться изменением напряжения на затворе, с которым остров связан ёмкостной связью. Если приложить напряжение между истоком и стоком, то ток, вообще говоря, протекать не будет, поскольку электроны заблокированы на наночастице. Когда потенциал на затворе станет больше некоторого порогового значения, кулоновская блокада прорвётся, электрон пройдёт через барьер, и в цепи исток-сток начнёт протекать ток. При этом ток в цепи будет протекать порциями, что соответствует движению единичных электронов. Таким образом, управляя потенциалом на затворе, можно пропускать через кулоновские барьеры одиночные электроны. Количество электронов в наночастице должно быть не более 10 (а желательно и меньше). Это может быть достигнуто в квантовых структурах с размером порядка 10 нм.

Рис. 1 Энергетические уровни истока, проводящего канала (острова) и стока (слева направо) в одноэлектронном транзисторе для закрытого (верхняя часть) и проводящего (нижняя часть) состояний.

 

Квантовые состояния электрона при разных потенциалах на затворе. В блокированном состоянии у электрона на истоке нет доступных энергетических уровней в пределах диапазона туннелирования (красная точка на рис.1). Все уровни с меньшей энергией на острове заняты.

Когда к затвору прикладывается положительный потенциал, энергетические уровни на острове понижаются. Электрон (зелёный 1.) может туннелировать на остров (зелёный 2.), занимая свободный энергетический уровень. Отсюда он может туннелировать на сток (зелёный 3.), где он неупруго рассеивается и достигает на нём уровня Ферми (зелёный 4.).

Энергетические уровни на острове распределены равномерно с расстоянием между ними  .   — это энергия, необходимая каждому последующему электрону для попадания на остров, который обладает ёмкостью  . Чем ниже  , тем больше  . Для преодоления кулоновской блокады необходимо выполнение трёх условий:

1. напряжение смещения не может превышать энергии зарядки;
2. тепловая энергия   должна быть ниже энергии зарядки  , либо электрон должен пройти квантовую точку за счёт теплового возбуждения;
3. сопротивление туннелирования ( ) должно быть больше, чем  , которое вытекает из принципа неопределённости Гейзенберга.

Различные одноэлектронные приборы можно получить при увеличении количества туннельно-связанных наноостровов. Один из таких приборов — одноэлектронная ловушка. Главное свойство данного прибора — это так называемая би- или мультистабильная внутренняя зарядовая память. У одноэлектронной ловушки в пределах некоторого диапазона напряжения, прикладываемого к затвору, один из наноостровов (обычно ближайший к затвору) может быть в одном, двух или более устойчивых зарядовых состояниях, то есть содержать один, два или несколько электронов. На этой основе уже сегодня создаются различные логические элементы, которые в ближайшем будущем могут стать элементной базой нанокомпьютеров.

В 2008 г. группа учёных из университета Манчестера (А. Гейм, К. Новосёлов, Л. Пономаренко и др.) сообщила о результатах эксперимента, в котором доказана принципиальная возможность создания одноэлектронного транзистора c размерами около 10 нм. Подобный одноэлектронный транзистор может являться единичным элементом будущих графеновых микросхем. Исследователи графена считают, что можно сократить размеры квантовой точки до 1 нм, при этом физические характеристики транзистора не должны измениться.

 

 

 

 

 

Заключение

Оптоэлектроника - бурно развивающаяся область науки и техники. Многие ее достижения вошли в быт: индикаторы, дисплеи, лазерные видеопроигрыватели. Разрабатывается твердотельное телевидение и многoe другое.

В последнее время оптоэлектронные технологии (фотоника) стали одним из важных направлений развития инновационной экономики в развитых странах. По оценкам Европейской комиссии в 2015 году мировой рынок фотоники составит около 500 млрд долларов США.

Сфера использования фотоники, лазерно-оптических технологий охватывает все сектора экономики - добывающая и перерабатывающая промышленность, транспорт, связь, сельское хозяйство, а также здравоохранение, обеспечение обороноспособности и др. Развитие или даже поддержание на существующем уровне любого из этих секторов требует использования современной фотоники, поэтому развитие опережающими темпами этой отрасли является магистральным направлением научно-технического прогресса в индустриально развитых странах. Долгосрочная привлекательность целевых рынков продукции фотоники гарантирована, во многих из вышеперечисленных применений ей, по существу, нет альтернатив. России эта отрасль остро необходима для модернизации своей экономики. По существу, сейчас страна стоит перед выбором: либо объективно существующая потребность в фотонных технологиях и лазерно-оптическом оборудовании отечественные предприятия и организации будут удовлетворять в основном за счет работы отечественной же лазерно-оптической отрасли, либо они будут вынуждены пользоваться импортом, а имеющиеся предприятия отечественной отрасли превратятся в сборочные и сервисные подразделения зарубежных компаний. При этом импорт новейшего лазерно-оптического и оптоэлектронного оборудования в течение длительного времени будет существенно ограничен, т.к. большинство такого оборудования включено в международный список оборудования двойного использования.

Список литературных источников

1. Иванов А.С. Физические основы микро- и нанотехнологии: уч. пос. / Пермь: Изд-во Перм. Нац. Исслед. Политехн. Ун-та, 2011.- 311с ISBN 978-5-398-00638-4
2.  Рощин, В.М. Технология материалов микро- опто- и наноэлектроники  /М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2010.-180с. ISBN 978-5-94774-913-7

 

3. Мартинес-Дуарт Дж. М., Мартин-Палма Р. Дж., Агулло-Руеда Ф. Нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники /М.: ТЕХНОСФЕРА, 2007.-368с. ISBN 978-5-94836-126-0
4. Валиев К.А. Микроэлектроника: достижения и пути развития / М.: НАУКА. Гл. ред. Физ-мат. лит. 1986.-144с
5. Нанотехнологии в электронике / Под ред. Чл.-корр. РАН Ю.А. Чаплыгина. М.: ТЕХНОСФЕРА. 2005.-448с. ISBN 5-94836-059-8