Электронные приборы на наноструктурах

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ НА НАНОСТРУКТУРАХ

Высокая степень интеграции, характерная для современной кремниевой технологии, не может быть достигнута при использовании полупроводниковых соединений , однако эти соединения обеспечивают большее быстродействие, прежде всего, за счет высокой подвижности 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 высокоскоростных электронных приборов. Ниже будет показано, что транзисторы на основе модулированно-легированных квантовых гетероструктур (MODFET) могут обеспечить очень высокое быстродействие благодаря очень высоким значениям при продольном транспорте электронов. Граничная частота таких устройств намного выше соответствующих значений для полевых МОП-транзисторов на кремниевой основе, а также полевых транзисторы с барьером Шоттки в качестве затвора (MESFET) на основе GaAs. Необходимо сказать, 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 [1] зависимость рабочей частоты (в ГГц) различных типов модулированно-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 0 К вследствие роста подвижности при низких температурах. В настоящее время уже существуют модулированно-легированные полевые транзисторы с длиной затвора около 100 нм и рабочей частотой при комнатной температуре порядка нескольких сотен гигагерц (ГГц).

Рис. 1.

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. Как будет показано ниже, 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), - фактор, сопротивление базы и т. п. по сравнению с обычными кремниевыми биполярными транзисторами.

Следует особо отметить еще один очень интересный квантовый эффект, резонансное туннелирование, который можно использовать для создания новых типов транзисторов. Диоды с резонансным туннелированием (RTD), действующие на основе этого эффекта, упрощенно 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) [5].

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)

Как было показано выше, 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. На этом принципе создаются полевые транзисторы с высокой подвижностью носителей (НЕМТ), которые иногда называют полевыми транзисторами с модулированным легированием (MODFET), так как в них используются модулированно-легированные гетеропереходы, а их действие основано на возможности регулирования движения электронов вдоль канала воздействием электрического поля. Модулированно-легированные полевые транзисторы (MODFET) или полевые транзисторы с высокой подвижностью носителей (НЕМТ) нашли много полезных применений в технике СВЧ.

Полевые транзисторы на гетероструктурах имеют слоистую структуру, позволяющую создавать двумерный электронный газ с высокой подвижностью. На рис. 2, а схематически представлено сечение типичного модулированно-легированного полевого транзистора (MODFET), включающего в себя все привычные электроды транзистора (сток, исток и затвор). Энергетическая диаграмма (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. Можно вспомнить, что квантовая потенциальная яма в гетероструктурах AlGaAs -GaAs формируется на поверхности раздела из-за того, что ширина запрещенной зоны AlGaAs значительно превышает ширину зоны в GaAs. 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 .

Рис. 2. 

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 располагается на поверхности раздела структуры Si - SiО2. 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 от напряжения на затворе имеет вид: , где величина - величина порогового напряжения. Поэтому вольтамперные характеристики модулированно-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 , для чего конструктивно стремятся максимально сократить длину затвора (которая обычно составляет около 100 нм), одновременно стараясь увеличить ширину затвора, поскольку это позволяет повысить величину сигнала и так называемую крутизну транзистора. 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 [6]. Таким образом, использование модулированно-легированных полевых транзисторов представляет конструкторам приборов дополнительные преимущества, так как в таких структурах транспорт носителей осуществляется в нелегированном слое (GaAs).

В настоящее время модулированно-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. 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 дВ. Такие высокие характеристики достигаются за счет уменьшения расстояния затвор -- канал (из-за более резких барьеров) и снижения паразитных емкостей системы. По всем этим причинам модулированно-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. Модулированно-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 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 необходимо, чтобы значения двух важных параметров системы (а именно коэффициент усиления по току и коэффициент инжекции эмиттера ) 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.

На рис. 3, а показана разница, возникающая в зонной структуре npn-транзисторов с гетеро- и гомопереходами.

Рис. 3.

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 () оказывается ниже соответствующего значения для дырок (), что и проявляется в значительном повышении коэффициента . Даже небольшое изменение высоты барьера может очень сильно влиять на процесс инжекции, который описывается квазиэкспоненциальной зависимостью от высоты барьера.

Действительно, коэффициент пропорционален отношению концентрации легирующей примеси в эмиттере и базе, а также члену где - разность между большей шириной запрещенной зоны в эмиттере и меньшей - в базы. При комнатных температурах (когда ) небольшая разница в значениях позволяет значительно изменить величину коэффициента .

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).

Рис. 4. 

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 , 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 - InAlAs и InGaAs - InP, что позволяет получать рабочие частоты до . 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 (см. главу 10), 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 соединения с широкой запрещенной зоной. Одним из таких соединений 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 ), 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 . 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 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.

3. Резонансный туннельный эффект

В предыдущем разделе было показано, что в гетеропереходах и квантовых ямах отклик электронов на приложенное электрическое поле, направленное параллельно поверхности раздела, соответствует очень высокой подвижности. В этом разделе рассматривается отклик электронов на электрические поля, направленные перпендикулярно потенциальным барьерам на поверхностях раздела. В этом случае электроны могут, при соблюдении определенных условий, просто туннелировать через потенциальные барьеры, осуществляя так называемый перпендикулярный транспорт. Туннельные токи через гетеропереходы могут приводить к формированию областей с отрицательным дифференциальным сопротивлением (NDR) на вольтамперной характеристике, для которых величина протекающего тока уменьшается с ростом прикладываемого напряжения. Этот эффект впервые был обнаружен Лео Эсаки еще в 1957 г. при изучении туннельных диодов с р-п переходами. В 1970 г. он предположил, что такой же эффект может наблюдаться в токах, протекающих через квантовые ямы, однако лишь к середине 1980-х г. развитие методов осаждения позволило вырастить структуры с гетеропереходами и квантовыми ямами, на основе которых удалось создать реальные устройства, в которых используется обсуждаемый эффект.

Действие электронных устройств на основе эффекта отрицательного дифференциального сопротивления (NDR) квантовых ям связано с так называемым эффектом резонансного туннелирования (RTE), наблюдаемым при прохождении электрического тока через структуру из двух тонких барьеров, между которыми располагается квантовая яма. Вольтамперная характеристика (зависимость ) этих устройств похожа на характеристики туннельных диодов Эсаки. На рис. 5, а схематически представлена зона проводимости для двойного гетероперехода с квантовой ямой между переходами. Предполагается, что ширина квантовой ямы настолько мала (5-10 нм), что яма может содержать лишь один электронный уровень с энергией (резонансный уровень). Область ямы состоит из слаболегированного GaAs, окруженного слоями AlGaAs с большей шириной запрещенной зоны. Внешние слои состоят из сильнолегированного GaAs n-типа (п+ GaAs), который обеспечивает электрические контакты. Уровень Ферми для п+ GaAs располагается в зоне проводимости, поскольку этот материал может рассматриваться как вырожденный полупроводник.

Рис. 5.

Рассмотрим поведение описываемой системы при повышении приложенного электрического напряжения , начиная с напряжения 0 В. Можно ожидать, что при небольшом приложенном напряжении электроны будут туннелировать из зоны проводимости п+ GaAs через потенциальный барьер, в результате чего увеличение напряжения должно приводить к возрастанию тока, что и демонстрирует участок 1 - 2 в области малых напряжений на вольтамперной характеристике (рис. 5, д). При дальнейшем росте напряжения до значения энергия электронов в п+ GaAs в окрестности уровня Ферми совпадает с резонансным уровнем электронов внутри квантовой ямы, как показано на рис. 5, б). Такое совпадение соответствует резонансу, при котором коэффициент квантовой проницаемости барьера резко возрастает. Резонанс объясняется тем, что при этих условиях волновая функция электрона в яме когерентно отражается между двумя барьерами (этот эффект аналогичен оптическому отражению в резонаторах Фабри - Перо). При этом электронная волна, попадающая в структуру слева возбуждает резонансный уровень электронов в яме, повышая тем самым коэффициент прохождения электронов (а следовательно, и величину тока) через потенциальный барьер, что соответствует области точки 2 на вольтамперной характеристике рис. 5, д. Возникающую при этом ситуацию можно сравнить с впрыскиванием электронов слева в квантовую яму и их дальнейшим освобождением через второй барьер. При дальнейшем повышении напряжения (рис. 5, в) резонансный уровень энергии в яме расположен ниже уровня Ферми в катоде, и ток начинает уменьшается (область 3, рис. 5, д), в результате чего и возникает эффект отрицательного дифференциального сопротивления (NDR), соответствующий участку на вольтамперной характеристики рис. 5, д в промежутке между точками 2 и 3. Затем, при дальнейшем повышении напряжения, ток через структуру начинает возрастать благодаря термоионной эмиссии через барьер (область 4 на рис.5, г и промежуток между точками 3 и 4 на характеристике).

Именно на этом эффекте основано действие многих промышленно выпускаемых диодов с резонансным туннелированием (RTD), широко применяемых в микроволной технике. Основной характеристикой, используемой для оценки рабочих параметров, выступает отношение токов пикового тока к минимальному току (PVCR) на вольтамперной характеристике, т. е. отношение максимального тока (точка 2) к минимальному току на впадине (точка 3). Для обычных структур AlGaAs-GaAs при комнатных температурах это отношение составляет около 5, однако в структурах из напряженных слоев InAs, окруженных барьерами из материала AlAs, работающих при температуре жидкого азота, это отношение может быть доведено до 10.

Диод с резонансным туннелированием (RTD) можно представить в виде отрицательного сопротивления, соединенного с параллельной емкостью диода и последовательным сопротивлением (так же, как и в случае обычных диодов). Эта схема позволяет довольно легко продемонстрировать, что максимум рабочей частоты повышается при уменьшении . Диод с резонансным туннелированием обычно изготовляется из низколегированных полупроводников, в результате чего возникает достаточно широкая область пространственного заряда между барьерами и областью коллектора, которой соответствует малая эквивалентная емкость. Вследствие этого рабочие частоты RTD и могут достигать нескольких терагерц (ТГц), что значительно выше рабочих частот туннельных диодов Эсаки (порядка 100 ГГц). Низкие значения отрицательного дифференциального сопротивления, т. е. очень резкий спад после максимума на вольт-амперной характеристике, позволяет обеспечивать высокую частоту работы устройства, вследствие чего RTD являются единственными электронными приборами, способными функционировать на частотах порядка 1 ТГц, т. е. являются приборами с минимальным временем пролета электронов.

Вообще говоря, передаваемая от транзисторов RTD на внешнюю нагрузку мощность, достаточно мала, и их выходной импеданс также достаточно мал, вследствие чего такие транзисторы очень трудно согласовать в схемах с волноводами или антеннами. Выходной сигнал таких транзисторов обычно составляет лишь несколько милливатт, поскольку их выходное напряжение обычно меньше 0,3 В, что обусловлено значениями высоты барьеров и энергетических уровней в квантовых ямах. В настоящее время диоды с резонансным туннелированием очень часто используются для демонстрации различных возможностей их применения в разнообразных устройствах, включая статические запоминающие устройства с произвольным доступом (статические ОЗУ), генераторы импульсов, многозначные запоминающие устройства, многозначные и переключающиеся логические устройства, аналогово-цифровые преобразователи, осцилляторы, сдвиговые регистры, усилители с низким уровнем шумов, логические схемы типа MOBILE или нечеткой логики, умножители частоты, нейронные сети и т. п. В частности, особый интерес создателей различных логических схем привлекают устройства со значениями коэффициента PVCR (отношение максимального тока к току в долине) порядка 3 или выше, особенно в сочетании с высокими значениями плотности пикового тока . Структуры со значениями PVCR порядка 3 и величиной около нескольких представляются почти идеальными для создания многих типов запоминающих устройств, а высокие значения и коэффициенты PVCR ~ 2 очень удобны для создания новых типов высокочастотных осцилляторов. В табл. 9.1 приводятся характерные значения параметров устройств такого вида, создаваемых на основе существующих полупроводниковых систем.

В таблице приведены значения плотности пикового тока , коэффициента PVCR (отношение максимального тока к току в долине); предельная мощность устройства, т. е. максимум произведения области отрицательного дифференциального сопротивления NRD (в предположении 100%-й эффективности) и значение отрицательного сопротивления диода RD в области NRD.

4. Транзисторы на горячих электронах

Энергия электронов, ускоренных сильным электрическим полем, может значительно превосходить энергию, соответствующую тепловому равновесию системы. В трехмерной системе энергию электронов в зоне проводимости легко описать некоторой электронной температурой , воспользовавшись очень простым соотношением , связывающим температуру со средней кинетической энергией электронов. Очевидно, что для двумерного электронного газа численный коэффициент в этом выражении должен равняться единице. В полупроводнике при тепловом равновесии электронная температура должна совпадать с температурой кристалла , однако в неравновесных системах (например, во внешних полях, способных ускорять электроны до очень высоких энергий) кинетическая энергия электронов может очень высокой, а следовательно, и электронная температура , может значительно превышать температуру кристаллической решетки. Такие электроны, далекие от состояния термодинамического равновесия с кристаллом, получили название горячих электронов.

Гетеропереходы между полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны позволяют генерировать горячие электроны, приобретающие значительную кинетическую энергию из-за «разрыва» энергии зоны проводимости при переходе от полупроводника с широкой зоной к полупроводнику с узкой зоной. В частном случае гетеропереходов в системах AlGaAs - GaAs величина варьируется в диапазоне от 0,2 до 0,3 эВ, что примерно в десять раз выше значения при комнатных температурах, и соответствует скорости носителей порядка и выше. Помимо этого, следует учитывать, что пересекающий область перехода пучок электронов ускоряется под действием электрического поля и коллимируется в направлении, перпендикулярном поверхности раздела. Этот эффект, называемый инжекцией электронов из гетероперехода, приводит к тому, что пучок электронов на выходе концентрируется в конусе с угловой апертурой около .

Одним из методов отбора наиболее высокоэнергетических электронов из заданного распределения состоит в организации процесса пересечения ими потенциального барьера. Очевидно, что только наиболее энергетические электроны смогут преодолевать достаточно широкий барьер по механизму, подобному термоионному эффекту. Гораздо более эффективный метод инжекции горячих электронов заключается в формировании тонких потенциальных барьеров в зоне проводимости полупроводниковых структур, допускающих достаточно эффективное туннелирование. В этом случае можно организовать поток почти монохроматических (моноэнергетических) электронов.

Идея создания на этой основе транзисторов на горячих электронах (НЕТ) была предложена еще в начале 60-х годов, однако ее удалось осуществить лишь через несколько десятилетий, когда достаточно развились методы выращивания полупроводниковых структур с использованием молекулярно-пучковой эпитаксии (МВЕ), позволяющей создавать высококачественные гетеропереходы в системах AlGaAs - GaAs. На рис. 6, а, схематически показана типичная структура транзистора на горячих электронах [2], содержащая эмиттер из п+ GaAs, очень тонкий барьер AlGaAs , базовую область GaAs , еще один тонкий барьер AlGaAs (толщиной около ) и коллектор из п+ GaAs. При подаче на коллектор положительного напряжения начинается инжекция горячих электронов из эмиттера путем туннелирования через тонкий барьер AlGaAs, поскольку на базе формируется положительное смещение относительно эмиттера (рис. 6, б).

Рис. 6.

Следует отметить, что эффективная толщина барьера может модулироваться изменением разности напряжений между эмиттером и базой . Скорость инжектируемых электронов в этом конкретном случае составляет около 5 х 108 см/с, что значительно выше, чем в любых других типах транзисторов, не говоря о том, что электронный пучок является коллимированным в конусе с углом около 6°. Усиление по току через базу (коэффициент ) при этом может быть доведено почти до единицы, если удается одновременно максимально понизить рассеяние в области базы (которая обычно является очень узкой) и отражение от барьера коллектора. Время пролета электронов через базу для транзистора с приложенным напряжением может быть доведено до величины порядка нескольких десятков фемтосекунд, однако относительно большим остается время преодоления барьера коллектора. Сейчас ведутся поиски вариантов уменьшения времени преодоления барьера коллектора, однако его высота не может быть снижена, так как это приведет к возрастанию токов утечки. Практически можно предсказать, что в близком будущем полное время пролета будет составлять около 1 пикосекунды.

Как и в случае описанных ранее полевых транзисторов с высокой скоростью электронов (НЕМТ), разработчики транзисторов на горячих электронах в настоящее время настойчиво стараются уменьшить размеры устройств для уменьшения времени пролета. Прежде всего, они пытаются достичь этого за счет уменьшения толщины областей пространственного заряда, повышая, например, уровень легирования полупроводника, к сожалению, при этом подходе может происходить диффузия атомов легирующих примесей с образованием сложных химических соединений, что приведет к изменению химического состава материалов. Для преодоления таких проблем было предложено заменить вещество базы полупроводника на материал, подобный металлу, не загрязняющему структуру и не подверженному электромиграции. В результате были созданы так называемые транзисторы с металлической базой (МВТ), где базовая область сформирована из материалов типа силицида кобальта (этот силицид обладает очень высокой проводимостью, сравнимой с проводимости металлов, и химически совместим с уже существующей кремниевой технологией). Общеизвестно, что рабочая скорость биполярных транзисторов ограничивается низкой подвижностью дырок, поэтому очевидным преимуществом МВТ является то, что такие транзисторы являются униполярными устройствами и могут работать при более высоких частотах.

На рис. 7 схематически представлены особенности двух наиболее известных структур МВТ.

Рис. 7.

Слева (рис. 7, а) показана энергетическая структура устройства с гетероструктурой типа металл - оксид - металл - оксид - металл при положительном смещении между электродами эмиттер - база и база - коллектор. В этой ситуации туннелирующие электроны инжектируются через тонкий барьер в эмиттерном переходе. Справа (рис. 7, б) показана более простая схема транзистора с металлической базой, образованная гетероструктурой Si - CoSi2 - Si, в которой первый переход Шоттки смещен в прямом направлении, вследствие чего электроны могут преодолевать эмиттерный барьер за счет термоионного эффекта.

В качестве материала базы используется CoSi2, который хорошо согласуется с параметрами решетки кремния (что обеспечивает высокое качество поверхностей раздела) и одновременно обладает высокой стойкостью к электромиграции. В таких транзисторах горячие электроны, достигшие области базы, ведут себя подобно описанным выше баллистическим электронам, т. е. двигаются практически без рассеяния, поскольку длина их свободного пробега значительно превышает ширину базовой области.

5. Транзисторы с резонансным туннелированием

Описанные в разделе 4 диоды с резонансным туннельным эффектом (RTD, RTE) могут быть легко объединены со стандартными биполярными транзисторами, полевыми транзисторами и транзисторами на горячих электронах, что позволяет создавать более сложные устройства, получившие название транзисторов с резонансным туннелированием (RTT). Рассмотрение устройства таких транзисторов можно начать с биполярных транзисторов, в которых диоды с резонансным туннелированием добавлены к эмиттерному переходу. Так как туннельный резонансный ток в этом случае определяется напряжением, приложенным между эмиттером и базой, ток коллектора таких устройств очень похож на соответствующие характеристики RTD (рис. 8, а).

На рис. 8, б представлена зависимость тока коллектора от напряжения , из чего видно, что выходная вольтамперная характеристика () представляет собой чередование областей с положительной и отрицательной крутизной, переходом между которыми можно управлять путем изменения напряжения .

Рис. 8

На рис. 9 представлена диаграмма энергетических уровней так называемых транзисторов на горячих электронах с резонансным туннелированием со смещением в активной области.

Рис. 9.

В таких транзисторах между эмиттерной и базовой областью располагается гетероструктура с резонансным туннелированием, способная инжектировать значительные токи при выполнении условий резонанса.

Положение резонансного уровня относительно эмиттера регулируется напряжением , подаваемым на базовую область, которое повышается до значений, соответствующих резонансному туннелированию, когда наблюдается максимум тока на выходе . При дальнейшем повышении напряжения ток начинает уменьшаться и доходит до минимума при некотором значении , подобно тому, как это происходит на вольтамперной характеристике, показанной на рис. 5.

Таким образом, выходные характеристики описываемого транзистора также имеют области отрицательного дифференциального сопротивления, но, в отличие от обычных транзисторов на горячих электронах (НЕМ), резонансные структуры позволяют инжектировать электроны в очень узком энергетическом диапазоне (~1 мэВ), что примерно в десять раз превышает соответствующие параметры для транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ), описанных в разделе 2. Как упоминалось выше, диоды с резонансным туннелированием могут быть объединены различным образом с биполярными транзисторами. На рис. 10 представлена общая схема биполярного транзистора AlGaAs - GaAs, к выводу базы которого присоединен диод с резонансным туннелированием [4]. Квантовая яма между двумя потенциальными барьерами диода играет в данном случае особую роль, так как выше уже было показано, что она может иметь несколько квантовых уровней. Соответственно в коллекторном токе такого устройства могут проявляться несколько пиков, в отличие от единственного пика для структуры, представленной на рис. 5.

Транзисторы с резонансным туннелированием (RTT) позволяют создавать много новых, практически важных устройств (особенно в области цифровой электроники), что представляется очевидным в свете описанных выше зависимостей тока коллектора от напряжения. Например, можно представить схему из нескольких последовательно соединенных приборов с резонансным туннелированием, подключенных к сети с напряжением и сопротивлением . Точки пересечения кривой нагрузки с характеристической кривой туннельного прибора позволяют выбрать области стабильных состояний.

Рис. 10.

Если таких областей две, можно образовать элемент бинарной логической схемы. Очевидно, что в случае квантовой ямы с несколькими энергетическими уровнями число стабильных точек будет равно числу пиков тока. Такие «дискретные» усилители позволяют создавать логические вентили, используя меньшее, чем обычно, число транзисторов описываемого типа. Например, на основе одного биполярного транзистора с резонансным туннелированием и двух обычных транзисторов можно создать схему суммирования, для построения которой обычно используется примерно 40 транзисторов. Это позволяет сразу резко повысить плотность монтажа и быстродействие создаваемых схем.

6. Одноэлектронные транзисторы

полевой транзистор электрон туннельный

Одним из самых интересных направлений развития электроники является возможность создания устройств, в которых заряд в очень небольшой области может регулироваться с предельной точностью, т. е. путем добавления или выведения из области одного-единственного электрона. Эта область исследований непосредственно связана с созданием цифровых и аналоговых устройств, установлением метрологических стандартов, обработкой квантовой информации и т. п. Концепция одноэлектронных транзисторов (SET) связана, прежде всего, с поведением нульмерных (0D) нанометрических структур, типа квантовых точек, в которых электроны распределены по дискретной системе энергетических уровней. Одной из наиболее интересных особенностей таких структур, обусловленной квантованием энергетических уровней, является так называемый эффект кулоновской блокады. Эффект связан с тем, что в очень малых областях проводящего материала (т. е. в так называемых «островковых» структурах) электростатический потенциал может существенно изменяться при добавлении или удалении из системы даже отдельных электронов.

Ранее было показано, что правильная работа одноэлектронных транзисторов обеспечивается двумя факторами. Прежде всего, электрическая энергия, связанная с попаданием электрона в квантовую яму или вылетом из нее (эту величину можно называть энергией зарядки), должно значительно превышать значение системы, что в терминах емкости может быть записано как в уравнении (6.23): . Кроме этого, сопротивление туннельного перехода должно быть достаточно большим по сравнению с определенным уравнением (6.25) квантовым сопротивлением равным примерно ~25,8 кОм, что необходимо для исключения флуктуации числа электронов в квантовой точке по принципу неопределенности Гейзенберга.

Прежде всего, следует учитывать, что до сих пор мы рассматривали квантовые точки в качестве двухполюсных устройств, однако для создания транзисторов на основе эффекта кулоновской блокады, очевидно, необходимо три контакта. Один из них должен использоваться в качестве затвора для управления потоком электронов через квантовую точку. Поэтому одноэлектронный транзистор должен содержать квантовую точку, связанную со стоком и истоком посредством туннельных переходов. Электрод затвора при этом должен быть отделен от квантовой точкой изолирующим материалом, чтобы электроны не могли туннелировать через этот барьер. Поскольку электрический ток в стоке и истоке структуры регулируется затвором, описанное трехполюсное устройство может работать в качестве транзистора, но не может использоваться для усиления сигналов. Пользуясь терминологией, используемой для контактов в полевых МОП-транзисторах, можно сказать, что квантовая точка в такой структуре играет роль области канала в полевом МОП-транзисторе.

На рис. 11, а представлена общая схема одноэлектронного транзистора, а на рис. 11, б - соответствующая ей эквивалентная электрическая цепь трехполюсного устройства, где квантовая точка с полным электрическим зарядом Ne (ее обычно называют кулоновским островом) подсоединена к стоку и истоку двумя туннельными барьерами.

Рис. 11.

Число электронов в кулоновском острове при этом определяется внешним напряжением через эквивалентную емкость затвора полупроводниковой структуры, добавленной для создания транзистора. В отличие от потенциальных барьеров стока и истока через этот контакт, туннельный ток отсутствует.

Вольтамперная характеристика одноэлектронного транзистора может быть получена при измерениях, осуществляемых при непрерывно возрастающем напряжении , подаваемом на электрод затвора. Это напряжение создает заряд на противоположной обкладке конденсатора, что компенсируется туннелированием одного электрона в квантовую точку, в результате чего возникает конкурентный механизм между индуцированным зарядом и дискретным зарядом, туннелирующим через барьеры.

В результате такого процесса возникают так называемые кулоновские осцилляции, обусловленные прохождением дискретных зарядов через туннельный барьер, которые можно зарегистрировать, измеряя колебания тока между стоком и истоком (в виде функции от напряжения затвора), как показано на рис. 11, в. Отсутствие тока между двумя последовательными пиками означает, что число электронов в квантовой точке не изменяется, вследствие чего в системе и не возникает никаких потоков. Периодичность пиков напряжения на представленных зависимостях определяется изменением числа электронов, уже содержащихся в данной квантовой яме на единицу (т. е. ), поэтому емкость квантовой ямы может быть определена просто измерением разности напряжений между двумя соседними пиками.

С точки зрения специфических применений данного эффекта, можно сразу указать на возможность создания логических схем на основе одноэлектронных транзисторов, работающих в качестве инвертора и заменяющих КМОП-транзисторы. Схема инвертора на транзисторе описываемого типа представлена на рис. 12, а [5], где каждый туннельный барьер представлен эквивалентной схемой, состоящей из сопротивления с параллельно включенным конденсатором.

Легко заметить, что выходное напряжение такого устройства представляет собой периодическую функцию от входного напряжения , как и показано на рис. 12, б. Периодичность выходного напряжения определяется отношением , а амплитуда -- величиной . Усиление по напряжению такого транзистора может быть доведено примерно до 10, поскольку , в то время как . Практически коэффициент усиления в реальных устройствах может быть в настоящее время доведен примерно до 3 при низких температурах, но не близких к абсолютному нулю (теоретическое значение достигается только при ). Описанные выше инверторы уже практически используются в разнообразных логических схемах в качестве элементов памяти, составленных из двух инверторов, объединенных с полевым МОП-транзистором.

Рис. 12.

На основе получаемых в эксперименте характеристик проводимости разнообразных нанотрубок (напоминающих кулоновскую блокаду в металлических и полупроводниковых квантовых проволоках и точках) уже создаются транзисторы на полевом эффекте в углеродных нанотрубках, которые могут использоваться для производства запоминающих схем с накоплением заряда на основе одно- или несколько электронных систем. Полевые транзисторы с нанотрубками {nanotube FETs) отличаются исключительно высокими характеристиками по подвижности носителей (около 10 000 см2/В с), большой геометрической емкостью и большой крутизной. Кроме этого, последние исследования показали, что полевые транзисторы, создаваемые на базе так называемых одностенных углеродных нанотрубок, могут применяться и в логических схемах, обеспечивая при обычных температурах очень высокие значения важнейших параметров, а именно коэффициента усиления (выше 10) и отношения уровней тока в положениях «включено -- выключено» (выше 105). Транзисторные схемы на углеродных нанотрубках могут не только выполнять дискретные логические операции, но и применяться в статических запоминающих схемах с произвольной выборкой, в логических устройствах «ИЛИ--НЕ» (NOR), кольцевых осцилляторах и т. п.

Библиографический список

1. Мартинес-Дуарт Дж. М., Мартин-Пальма Р. Дж., Агулло-Руеда Ф. Нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники. - М.:Техносфера, 2007. - 368 с.

2. Ч. Пул-мл., Ф. Оуенс. Нанотехнологии.-М.: Техносфера, 2007. - 376 с.

3. Алферов Ж.И., и др. Наноматериалы и нанотехнологии // Микросистемная техника. 2003. №8, с 3 - 13.

4. Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектроники. Новосибирск: Изд. НГТУ, 2004. - 496 с.

5. Суздалев И.П., Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. - М.: КомКнига, 2006. - 592 с.

6. Базовые лекции по электронике, Том 1. Электровакуумная, плазменная и квантовая электроника. - М.: Техносфера, 2009. - 480 с.

7. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 2000. - 423 с.

8. Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. М.: Высшая школа, 2001. - 383 с.

9. Lynelle McKay, Lance Wilson. RF Power GaAs for Wireless Infrastructure Markets. - 2001 GaAs MANTECH Conf. Dig. Ppr., 2001.

10. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника: сб. / под ред. П.П. Мальцева. М.: Техносфера, 2006. 152 с.

Размещено на Allbest.ru