Биполярные транзисторы



Полупроводниковые светоизлучающие приборы

Излучательная рекомбинация

Различают безызлучательную и излучательную рекомбинацию (смотри рис.). Излучательная рекомбинация, в свою очередь, в свою очередь делится на спонтанную (самопроизвольную) и индуцированную (вынужденную).

При спонтанной рекомбинации электрон самопроизвольно, в силу конечного времени жизни, переходит из зоны проводимости на свободные уровни (на место дырки) в валентной зоне, выделяя часть своей энергии в виде кванта света, фотона с энергией

Е_фот = hн = E_n-E_p,

где h - постоянная Планка; н - частота света; E_n и E_p - энергия рекомбинирующих электрона и дырки.

Индуцированная рекомбинация происходит под действием света. Электрон зоны проводимости переходит в валентную зону не самопроизвольно, а вынужденно, если его «подтолкнет» фотон с энергией hн. достаточно близкой к разности E_n-E_p. При этом будет излучен вторичный фотон, который принципиально ничем не отличается от фотона, вызвавшего рекомбинацию. Они имеют одну и ту же частоту, фазу, поляризацию и направление распространения.

Это означает, что в полупроводнике при определенных условиях возможно усиление света. На полупроводник воздействует один фотон, в результате индуцированной рекомбинации появляются два одинаковых фотона: первый, вызвавший рекомбинацию, второй, появившийся в результате рекомбинации .

Поглощение и усиление света в полупроводниках

Собственный полупроводник, находящийся в тепловом равновесии, прозрачен для света с частотой н < Еg/h, так как энергии фотона не хватает для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости (Ефот = hн < Еg). Поэтому фотоны оптического излучения не поглощаются электронами валентной зоны.

Если же частота света н > Еg/h, то энергия фотона больше ширины запрещенной зоны (hн>Еg).

Поэтому электроны валентной зоны поглощают фотоны оптического излучения и переходят в зону проводимости. Эти же фотоны могут вызвать индуцированную рекомбинацию, что должно приводить к усилению света.

Вероятность процесса поглощения фотона равна вероятности индуцированной рекомбинации.

Поскольку в собственном полупроводнике число электронов в валентной зоне много больше числа электронов в зоне проводимости, то процессы поглощения фотонов будут преобладать. Следовательно, оптическое излучение с частотой н>Еg/h будет сильно поглощаться в чистом полупроводнике, находящемся в тепловом равновесии.

Рассмотрим теперь полупроводник, одновременно вырожденный по электронам и дыркам (рис…..).

Для такого полупроводника можно принять, что все уровни в зоне проводимости между Е_Fⁿ и E_C полностью заполнены электронами, а на уровнях валентной зоны между E_V и E_F^p имеются только дырки.

Пусть на такой полупроводник падает свет с энергией фотонов Ефот<Еg.

Ясно, что в этом случае энергии фотона не достаточно для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости и свет в полупроводнике поглощаться не будет.

Полупроводник прозрачен для такого излучения. Пусть теперь на полупроводник подается излучение с энергией фотонов Еg < Ефот< Е_Fⁿ - E_F^p. Энергия такого фотона достаточна для перевода электрона с уровней, находящихся между E_V и E_F^p, валентной зоны на уровни энергии в зоне проводимости, находящиеся между Е_Fⁿ и Е_Fⁿ.

Но, на уровнях валентной зоны между E_V и E_F^p нет электронов. Даже, если бы там нашелся электрон, то он не смог бы перейти в зону проводимости на уровни между Е_Fⁿ и E_C, поскольку они полностью заняты электронами и для нового электрона места нет.

Поэтому излучение с энергией фотонов отвечающих условию Еg < Ефот< Е_Fⁿ - E_F^p в полупроводнике поглощаться не будет.

В то же время эти фотоны могут вызвать индуцированную рекомбинацию. При этом появятся вторичные фотоны, точно совпадающие по своим свойствам с первичными. Следовательно такой полупроводник может усиливать оптическое излучение в полосе частот

Ширина этой полосы частот определяется степенью вырождения электронов и дырок, то есть положением квазиуровней Ферми и шириной запрещенной зоны полупроводника Еg.

Итак, условие

Е_Fⁿ - E_F^p>Eg

необходимо для того, чтобы полупроводник мог усиливать оптическое излучение.

Принцип действия полупроводникового квантового генератора

Оптический квантовый генератор или лазер - устройство, генерирующее электромагнитные волны за счет вынужденного испускания света активной средой, находящейся в оптическом резонаторе.

Слово лазер - аббревиатура слов английского выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» - усиление света вынужденным излучением.

Любой оптический квантовый генератор содержит три системы:

- активная среда - представляет собой вещество способное усиливать оптическое излучение;

- оптический резонатор - в простейшем случае два плоских зеркала, установленных параллельно друг другу и перпендикулярно оси резонатора;

- система накачки - обеспечивает в активной среде возможность усиления света.

Назначение этих систем будет ясно из ниже изложенного материала.

Итак, пусть имеется активная среда, полупроводник, в котором выполняется условие усиления света:

Е_Fⁿ - E_F^p>Eg

В нем происходит излучательная спонтанная рекомбинация, в результате которой появляется множество фотонов, распространяющихся во всевозможных направлениях.

Каждый фотон может вызвать индуцированную рекомбинацию, в результате которой в полупроводнике появятся два фотона с одинаковыми направлениями распространения, частотой, фазой и поляризацией. Они в свою очередь могут вызвать индуцированную рекомбинацию, что приведет к появлению уже четырех одинаковых фотонов, и так далее.

Таким образом в полупроводнике возникает множество усиливающихся световых волн, распространяющихся во всевозможных направлениях и частоты которых находятся в интервале частот Дн.

Полупроводник начинает излучать свет. На этом явлении основано действие светоизлучающих диодов (СИД).

Среди всех усиливающихся световых волн, возникающих в полупроводнике, существует одна особенная волна, волна распространяющаяся параллельно оси резонатора. Эта волна I₁ покидает полупроводник и попадает на зеркало 1. Зеркало 1 отражает ее обратно в полупроводник, распространяясь в полупроводнике, эта волна I₂ за счет индуцированной рекомбинации усиливается.

Пройдя через полупроводник, она попадает на зеркало 2, которое снова отражает ее в полупроводник, где она опять усиливается и попадает на зеркало 1, которое опять возвращает эту волну в полупроводник и так далее. То есть только эта волна постоянно получает усиление в полупроводнике. Все же остальные световые волны, распространяющиеся под углом к оси системы, или сразу покидают полупроводник, или покидают его после нескольких проходов через него, поскольку падают на зеркала оптического резонатора под углом, отличным от 90⁰. Эти волны создают, как говорят, спонтанное излучение. Если зеркало 1 сделать полупрозрачным, то световая волна I₁ частично будет выходить из оптического резонатора в виде остронаправленного светового луча. Возникает процесс генерации излучения оптического квантового генератора.

Поскольку все фотоны, образующие световой луч, имеют одно направление распространения и одну частоту благодаря свойствам индуцированной рекомбинации, то излучение оптического квантового генератора (лазера) имеет высокую направленность и монохроматичность.



Инжекционный полупроводниковый квантовый генератор и светоизлучающий диод

Создать в одном кристалле полупроводника одновременное вырождение электронов и дырок весьма трудно.

Гораздо проще этого добиться, используя два примесных полупроводника, один из которых вырожден по электронам, другой по дыркам.

Контакт двух таких полупроводников приводит к образованию p-n перехода. Для того, чтобы в области перехода выполнялось условие

>

к нему необходимо приложить напряжение в прямом направлении большее Еg/q В.

В этом случае в области p-n перехода будет существовать одновременное вырождение электронов и дырок.



При прямом смещении перехода через него будет протекать электрический ток, состоящий из двух компонент: электронов и дырок, двигающихся навстречу друг другу. Происходит инжекция носителей заряда в переход. Отсюда и название этого класса полупроводниковых приборов. Эти два потока частиц встречаются в тонком слое перехода и рекомбинируют, излучая свет. На этом основано действие светоизлучающего диода. Если же р-n переход поместить в оптический резонатор, то получим лазерное излучение. Для изготовления светоизлучающих полупровод-никовых приборов используют прямозонные полупроводники. Один из наиболее распространенных GaAs.

Структура инжекционного светоизлучающего диода (СИД) показана на рис…..



На подложку из GaAs n-типа наносят эпитаксиальный слой GaAs р-типа. Возникает p-n переход. Для уменьшения поглощения оптического излучения в GaAs р-типа вытравливают лунку, дно которой почти достигает перехода. Для подвода питающего напряжения на структуре выполняют металлические электроды.

При подаче прямого смещения на светодиод происходит инжекция носителей заряда в р-n переход их спонтанная излучательная рекомбинация. Возникает свечение перехода и излучение выводится из диода в направлении перпендикулярном плоскости перехода.

Рабочие токи инжекции маломощных светодиодов составляют величину порядка десятков миллиампер при мощности оптического излучения несколько милливатт.

Структура полупроводникового квантового генератора (ПКГ) представлена на рис…… Она напоминает структуру светодиода. Торцевые грани получают сколом кристалла полупроводника по определенным кристаллогрфическим плоскостям.

Поэтому они представляют идеальные плоские поверхности строго параллельные друг-другу и являются зеркалами оптического резонатора. Коэффициент отражения от зеркал определяется френелевским отражением света на границе раздела двух сред:

,

где n₁= 1 - коэффициент преломления воздуха, n₂ = 3,4- коэффициент преломления GaAs и для R получим значение равное 0,3, что достаточно для получения лазерной генерации.

Оптическое излучение распространяется в р-n переходе вдоль структуры. Для организации одностороннего вывода излучения на один из торцов кристалла наносят отражающее покрытие, например пленку алюминия с коэффициентом отражения ? 1. Для подавления оптической генерации в боковом направлении грани кристалла выполняют или слегка скошенными или шероховатыми.

Один из металлических электродов для подачи питающего напряжения делают полосковым, это локализует область лазерной генерации в боковом направлении.

Рабочие токи лазерных диодов составляют сотни миллиампер, что требует, как правило, установки кристалла на радиатор для исключения его перегрева.

Зависимость мощности оптического излучения СИД и ПКГ от тока инжекции

В СИД оптическое излучение возникает при спонтанной рекомбинации электронов и дырок в области p-n перехода сразу после включения тока инжекции, и его мощность линейно растет с увеличением тока инжекции J (рис.).



При достаточно большом значении J начинает сказываться тепловой разогрев полупроводника.

Это приводит к смещению квазиуровней Ферми в сторону середины запрещенной зоны, к уменьшению степени вырождения электронов и дырок и соответствующему уменьшению мощности излучения.

Для ПКГ характерно наличие порогового тока инжекции J_пор. При увеличении тока инжекции возрастает разность , то есть возрастает степень вырождения полупроводника, а это определяет усиление света в переходе.

Когда ток J становится выше Jпор начинается процесс лазерной генерации. Это связано с тем, что при падении световой волны на полупрозрачное зеркало лишь часть ее отразится обратно.

Поэтому усиление света при двойном проходе через полупроводник должно быть таким, чтобы на полупрозрачное зеркало вернулась световая волна не меньшая, чем в предыдущий раз. Только тогда световая волна начнет возрастать от прохода к проходу.

Это условие как раз и выполняется при токах J > J_пор. В противном случае световая волна будет затухать.

Увеличение J выше J_пор приводит к линейному увеличению мощности излучения. При больших токах инжекции начинает сказываться тепловой разогрев полупроводника, что как и в СИД приводит к падению мощности излучения.

Спектр излучения

Ширина спектра излучение СИД определяется степенью вырождения носителей заряда в полупроводнике и лежит в диапазоне частот:



< < .

В ПКГ спектр излучения значительно уже. Причина этого заключается в том, что усиление в полосе частот Дн неодинаково (рис).

Оптическое излучение СИД). На частоте максимального излучения н₀ «рождается» большее число фотонов, и при каждом проходе через полупроводник световая волна этой частоты усиливается больше, чем свет других частот.

Поэтому при большом числе проходов излечения в оптическом резонаторе спустя сравнительно короткое время подавляющее число фотонов будет обладать очень близкими значениями энергии, соответствующей частоте максимального усиления н₀.

Происходит сужение спектра индуцированного излучения ПКГ (рис.). На практике спектральные графики строят в зависимости от длины волны излучения. Переход от частоты к длине волны осуществляют, используя соотношение л = с/н, где с - скорость света.

Расходимость излучения

Диаграмма направленности излучения это угловое распределение интенсивности или мощности излучения относительно направления, отвечающего его максимальному значению.

На графиках диаграмму направленности изображают в полярных или декартовых координатах. Диаграмму направленности излучения характеризуют расходимостью - углом в пределах которого мощность излучения составляет не менее 0,5 максимального.

Минимальное значение расходимости излучения ПКГ определяется дифракцией света и оценивается соотношением:

,

где л - длина волны излучения ПКГ (для GaAs ПКГ л ? 1 мкм); d - характерный размер излучающей области. Так как размер излучающей области в плоскости p-n перехода полоскового ПКГ (рис….) составляет примерно 10 мкм, то расходимость излучения в этой плоскости составляет около 10⁰. Расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной плоскости p-n перехода, больше и составляет примерно 60⁰, так как толщина p-n перехода ? 1 мкм (рис….).

В СИД спонтанное излучение направлено в разные стороны, поэтому его можно считать изотропным и подчиняющимся закону Ламберта:

, ( -90⁰<<90⁰ ).

Расходимость излучения СИД без применения специальной фокусирующей оптики по уровню 0,5 составляет примерно 60⁰ и не зависит от ориентации СИД в пространстве.

Уменьшение размеров КМОП

Повысить степень интеграции БИС можно, применяя такую технологию, которая позволяет сократить геометрические размеры отдельных элементов. Было показано, что наибольшего уменьшения размеров можно добиться, используя МОП технологии. Специально для этого был создан систематический метод, известный как метод масштабирования. Сущность его состоит в следующем.

Транзисторы некоторой конкретной БИС спроектированы таким образом, что имеют требуемые параметры. Если теперь все размеры пропорционально сократить в л раз, то характеристики и параметры транзисторов останутся неизменными, при условии, что во столько же раз сокращены напряжения питания.

Такой принцип позволяет систематизировать процесс проектирования, так как, рассчитав параметры некоторого оптимального транзистора в рамках оптимальной технологии, можно в дальнейшем воспользоваться масштабным множителем, сохраняя при переходе к другим размерам все характеристики неизменными. В таблице приведены некоторые масштабные множители, в соответствии с которыми должны изменяться различные параметры МОП транзистора при неизменности его характеристик.

	Параметр	Множитель
	Линейные размеры (толщина оксидного слоя, длина и ширина канала и т.д.)	1/л
	Концентрация примесей в подложке	л
	Напряжение питания	1/л

Метод масштабирования является достаточно гибким и позволяет осуществлять проектирование, руководствуясь различными критериями. Так, существуют правила проектирования при неизменном напряжении питания и постоянной напряженности поля.

Имеются правила, минимизирующие время запаздывания сигнала или обеспечивающие минимум мощности рассеяния. Могут существовать также группы различных масштабных коэффициентов.

Ставя целью реализовать тот или иной конкретный параметр: время запаздывания сигнала, габаритные размеры и т.д. - задаются требуемым значением этого параметра и, используя тот или иной метод, находят значение прочих параметров. Если все они допустимы в рамках выбранной технологии, то приступают к изготовлению БИС.

Все выше сказанное хорошо укладывается в эмпирический закон Мура, согласно которому количество транзисторов на кристалле удваивается каждые 1,5-2 года.

Особенности субмикронных МОП - транзисторов

Традиционная структура МОП - транзистора обеспечила снижение длины затвора от 10 мкм в 70-х годах до 0,06 мкм в настоящее время путём простого масштабирования, то есть уменьшением длины затвора, толщины диэлектрика и глубины залегания p-n-переходов.

Однако переход проектных норм через границу 130 нм в рамках традиционной конструкции наталкивается на физические ограничения.

Таким образом, транзисторы для технологий XXI века должны иметь иную структуру и использовать новые материалы для подзатворного диэлектрика.

За последние 30 лет длина затвора МОП -транзистора уменьшилась в 200 раз. В настоящее время коммерчески доступной является технология с минимальными горизонтальными размерами элементов 0,13 мкм, позволившая реализовать массовое производство микропроцессоров Intel Pentium 4 с тактовой частотой более 2,5 ГГц на МОП - транзисторах с длиной канала 60 нм и толщиной подзатворного окисла 1,5 нм. В соответствии с прогнозами Ассоциации предприятий полупроводниковой индустрии NTRS, минимальные размеры элементов будут продолжать быстро уменьшаться и к 2015 году достигнут 20 нм.

Каждый технологический шаг в направлении уменьшения размеров сопряжён с ростом проблем конструирования и производства, которые приходится решать для обеспечения теоретически прогнозируемых характеристик транзистора.

Любое улучшение одних параметров приводит к ухудшению других, причём с уменьшением размеров взаимное влияние параметров становится всё более сильным.

Основными проблемами микроминиатюризации МОП - транзисторов являются туннелирование через затвор, инжекция горячих носителей в окисел, прокол между истоком и стоком, уменьшение подвижности носителей заряда в канале, увеличение последовательного сопротивления между истоком и стоком, обеспечение запаса между пороговым напряжением и напряжением питания.

Транзистор должен иметь слабую зависимость порогового напряжения от напряжения на стоке, от длины и ширины канала, большое выходное сопротивление, малое сопротивления областей истока и стока и большую нагрузочную способность.

Емкости затвора и p-n-переходов должны быть минимальны. Разброс параметров техпроцесса, сложность которго растёт с уменьшением размеров транзистора, не должен снижать процент выхода годных кристаллов.

Конструкции МОП - транзисторов в СБИС

Наиболее распространённой конструкцией МОП - транзистора, используемой более 10 лет в полупроводниковой промышленности, является LDD (Lightly Doped Drain) структура (рисyнок ).

Её особенностью является наличие мелких слаболегированных областей, которые удлиняют области истока и стока в сторону канала. Концентрацию легирующей примеси в этих областях и режим её разгонки выбирают таким образом, чтобы получить плавный p-n-переход.

Перекрытие LDD-областей затвором должно быть не менее 15-20 нм, чтобы предотвратить снижение нагрузочной способности транзистора. Толщина поликремниевого затвора составляет порядка 300 нм.

Контакты к областям истока, стока и к поликремниевому затвору выполняют с промежуточным формированием слоя TiSi₂ или CoSi₂ толщиной порядка 40 нм, что обеспечивает удельное сопротивление около 5 Ом. Изоляция между поликремниевым затвором и контактами к истоку и стоку выполняется в виде спейсера (разграничителя) из Si₃N₄.

Толщина окисла для транзисторов с длиной канала 0,1 мкм составляет 3-4 нм. Между толщиной окисла t_ox и длиной канала L МОП - транзисторов, изготавливаемых фирмой Intel в течение последних 20 лет, существует эмпирическая зависимость L = 45·t_ox.

GaAs СБИС на основе полевых транзисторов Шоттки

Арсенид галлия занимает важное место в технологии создания СБИС повышенного быстродействия благодаря высокой подвижности электронов (8500 см²/(В*с) и скорости насыщения дрейфа носителей (2*10⁷ см/с).

Значительная ширина запрещенной зоны арсенида галлия (1,42 эВ) позволяет создавать на его основе сверхбыстродействующие гомоструктурные интегральные транзисторы, устойчивые к воздействию повышенной температуры и это же позволяет использовать полуизолирующие GaAs подложки, имеющие высокое удельное сопротивление до 10⁸ Ом*см.

Такие подложки обеспечивают низкий уровень паразитных связей между элементами интегральных схем.

. Пути повышения быстродействия и снижения энергии переключения таких структур лежат в двух основных направлениях:

1. Сокращение размеров активных областей приборов и рабочих напряжений;

2. Использование полупроводников с высокой подвижностью и скоростью дрейфа носителей заряда.

Работа ПТШ основана на использовании контакта металл-полупроводник. Такой контакт получил название контакта Шоттки и он подобен p-n переходу и на его основе изготавливаются диоды Шоттки.

Особенность в том, что работа контакта Шоттки основана на движении основных носителей заряда - электронов. в силу этого они отличаются высоким быстродействием.

У контакта Шоттки также существует обедненная основными носителями заряда область, которая полностью располагается в полупроводнике, поскольку в нем концентрация носителей заряда много меньше, чем в металле.

Полупроводник в обедненной области по своим электрическим свойствам близок к собственному. Эта область определяет толщину контакта. Так же как в p-n переходе толщина контакта Шоттки зависит от величины смещения. С увеличением обратного смещения толщина контакта, т.е. толщина обедненной области, возрастает.

Структура GaAs ПТШ изображена на рисунке. На монокристаллической полуизоли-рующей подложке GaAs с высоким удельным сопротивлением - обычно порядка 10⁸ Ом*см - формируют тонкий электропроводный слой n-типа, который называется активным слоем.

Активный слой обычно формируют ионной имплантацией или эпитаксиальным выращиванием тонкой пленки n-типа.

Толщина активного слоя около 0,3 мкм, а концентрация примеси ? 3*10⁷ см^-3. В активном слое расположены области истока, затвора и стока. Для получения хороших омических контактов в активном слое под электродами истока и стока выполняют n+-области.

Омические электроды изготавливают из сплав Au-Ge-Ni. Электрод затвора образует с активным слоем контакт Шоттки. Электрод затвора выполняют из Al. В последнее время для электрода затвора стали использовать силицид вольфрама WSi.

Принцип работы ПТШ следующий. К стоку прикладывается положительное напряжение относительно истока. К затвору - отрицательное. Поскольку затвор смещен в обратном направлении, то обедненный слой под затвором расширяется, как показано на рисунке, в область активного слоя. Канал между стоком и истоком сужается, и ток, протекающий от стока к истоку, изменяется.

При увеличении обратного смещения контакта Шоттки ток в канале сильно уменьшается. Таким образом, изменяя напряжение на затворе, можно управлять током стока.

Чем короче длина затвора, тем выше быстродействие прибора. Обычно длина затвора составляет ? 0,1 мкм.

1. Полевые транзисторы Шоттки широко используются в качестве элементной базы современных GaAs СБИС.

ПШТ могут изготавливаться двух типов в зависимости от значения тока стока при нулевом напряжении на затворе (см. рисунок). Напряжение отсечки для транзистора типа D - отрицательно, для транзистора типа Е - положительно. Величина напряжения Uо составляет ? 2 В. Напряжение Uп ? 1 В. Формирования транзистора того или иного типа обеспечивается путем выбора толщины активного слоя n-типа и концентрацией донорной примеси. Транзисторы типа D обладают большей нагрузочной способностью.

При построении логических структур на ПШТ типа D необходимо иметь два источника питания. Это недостаток.

Особенности вольт-амперных характеристи ПШТ требуют своих схемотехнических решений, отличных от используемых в Si МДП схемах.

Время задержки сигнала в GaAs 11, 6 пс, в Si КМОП структурах - 200 пс.

Транзисторы с высокой подвижностью электронов

Требование высокой проводимости канала транзистора для обеспечения быстродействия связано с высокой степенью легирования примесью. Повышение степени легирования области канала необходимо и при масштабировании транзисторов с целью повышения степени интеграции и быстродействия, а также снижения энергии переключения.

Однако, повышение концентрации примеси приводит к снижению подвижности электронов вследствие их рассеянии на ионах примеси. Поскольку подвижность в знсчительной степени определяет время пролета канала, то требование увеличения подвижности при одновременном повышении степени легирования является противоречивым.

Преодолеть это противоречие удалось в гетероструктурных полевых транзисторах Шоттки.



На рисунке приведено схематическое изображение транзистора на основе многослойной структуры AlGaAS - GaAs. Такой тран-зистор получил название - транзистор с высокой подвижностью электронов - ВПЭТ

Основной принцип повышения быстродействия ВПЭТ состоит в пространственном разделении подвижных носителей заряда и породивших их примесных атомов.

Пусть имеется гетеропереход на основе GaAs и материала с большей шириной запрещенной зоны, например - AlGaAs. В последний введена донорная примесь.

Так как дно зоны проводимости у GaAs лежит ниже чем у AlGaAs, то электроны создаваемые донорной примесью будут из n+ AlGaAs проникать в зону проводимости GaAs. Поэтому в n+ AlGaAs образуется область пространственного неподвижного заряда.

В то же время электроны проводимости GaAs электростатически притягиваются этой областью положительного заряда. В результате чего в GaAs на границе раздела с AlGaAs формируется область отрицательного подвижного пространственного заряда и распределение потенциала в области гетероперехода примет вид как показано на рисунке.

Электроны зоны проводимости в GaAs оказываются заключенными в потенциальный колодец с формой близкой к треугольной. Он расположен вблизи с границей раздела с AlGaAs. На границе раздела GaAs и AlGaAs между потенциальным барьером и и дном зоны проводимости GaAs возникает стоячая волна электронов проводимости. Поэтому указанные электроны утрачивают способность движения в ортогональном границе раздела направлении.

Создаются двумерные условия. Важно учитывать, что электроны зоны проводимости и донорные ионы пространственно разделены, поэтому рассеяние электронов на ионах пренебрежимо мало, что обеспечивает высокую подвижность носителей заряда, соответствующую массивному кристаллу.

Тонкий слой нелегированного AlGaAs, называемый спейсером, используется для дополнительного ослабления влияния кулоновского поля ионов донорной примеси.

Таким образом, использование гетероперехода позволяе достичь высокой подвижности электронов при их высокой концентрации в канале ВПЭТ и обеспечивает время задержки на вентиль менее 10 пс и граничные частоты 80 - 120 ГГц.

Углеродные нанотрубки

Долгие годы считалось, что углерод может образовывать только две кристаллические структуры - алмаз и графит. Кристаллы алмаза хорошо известны. Их кристаллическая структура подобна кремнию. Кристаллическая структура графита слоистая: атомы углерода находятся в одной плоскости и образуют прочные связи между собой.

Сами же атомные плоскости сравнительно далеко расположены друг от друга и слабо связаны между собой и образуют слоистый углеродный материал, называемый пиролитическим графитом. Этот материал можно найти в природе, как и слюду, являющимся также слоитым материалом. Кристаллы графита легко делятся на листы или чешуйки.

Важно отметить, что углеродные нанотрубки - это кристаллические структуры, в которых углерод проявляется в виде своей новой аллотропной модификации,. в форме так называемых фуллеренов.

Углеродные нанотрубки представляются одним из наиболее перспективных и ценных материалов для развития нанотехнологии. Перечислим только некоторые из направлений, которые уже в ближайшее время могут привести к промышленнму внедрению: модификация электроники (диоды, полевые транзисторы, экраны дисплеев сверхвысокого разрешения, увеличение степени интеграции в больших интегральных схемах), водородная энергетика (аккумуляция водорода как путь к созданию источников тока нового поколения, в частности - в автомобильной промышленности), сверхчувствительные быстродействующие миниатюрные сенсоры (обнаружение газов - NO ₂ , NH ₃ , O₂ и других), генераторы микроволн, эмиссионные и магнитные материалы, катализаторы (для полимерных материалов), использование зондовых микроскопов для сборки наноструктур из отдельных атомов и молекул с помощью зондов из нанотрубок.

Оказалось, что однослойные углеродные листы могут скручиваться в виде трубок в один или несколько слоев. Такие образования называют однослойными и, соответственно, многослойными трубками.

Диаметр таких трубок лежит от 0,5 нм до нескольких нанометров. Длина трубок может достигать десятков микрон. Из-за таких размеров углеродных трубок они и получили название нанотрубок.

Существует ограниченное число схем, с помощью которых можно из графитового листа выстроить нанотрубку. Можно сворачивать графитовый лист под разными углами, относительно оси графитового листа. Угол может принимать только дискретные значения и он называется углом хиральности Q.

Таким образом, все многообразие свойств нанотрубок определяется исключительно геометрией, которая единственным образом задается углом хиральности Q и диаметром d нанотрубки

По значению параметров Q и d различают:

- прямые (ахиральные) нанотрубки Q=0;

- спиральные (хиральные) нанотрубки Q?0.

Получение углеродных нанотрубок

Углеродные нанотрубки можно получить лазерным испарением, углеродной дугой и химическим осаждением паров.

В настоящее время наиболее распространенным является метод термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда.

Процесс синтеза осуществляется в камере, заполненной гелием под давлением около 500 мм рт. ст..

При горении плазмы происходит интенсивное термическое испарение анода, при этом на торцевой поверхности катода образуется осадок, в котором формируются нанотрубки углерода. Наибольшее количество нанотрубок образуется тогда, когда ток плазмы минимален и его плотность составляет около 100 А/см2.

В экспериментальных установках напряжение между электродами обычно составляет около 15-25 В, ток разряда несколько десятков ампер, расстояние между концами графитовых электродов 1-2 мм. В процессе синтеза около 90% массы анода осаждается на катоде.

Образующиеся многочисленные нанотрубки имеют длину порядка 40 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца и собраны в цилиндрические пучки диаметром около 50 мкм. Пучки нанотрубок регулярно покрывают поверхность катода, образуя сотовую структуру. Ее можно обнаружить, рассматривая осадок на катоде невооруженным глазом.

Пространство между пучками нанотрубок заполнено смесью неупорядоченных наночастиц и одиночных нанотрубок. Содержание нанотрубок в углеродном осадке (депозите) может приближаться к 60%.

Для разделения компонентов полученного осадка используется ультразвуковое диспергирование. Катодный депозит помещают в метанол и обрабатывают ультразвуком.

В результате получается суспензия, которая (после добавления воды) подвергается разделению на центрифуге. Крупные частицы сажи прилипают к стенкам центрифуги, а нанотрубки остаются плавающими в суспензии. Затем нанотрубки промывают в азотной кислоте и просушивают в газообразном потоке кислорода и водорода в соотношении 1 : 4 при температуре 750⁰C в течение 5 мин.

В результате такой обработки получается достаточно легкий и пористый материал, состоящий из многослойных нанотрубок со средним диаметром 20 нм и длиной около 10 мкм. Технология получения нанотрубок довольно сложна, поэтому в настоящее время нанотрубки - дорогой материал: один грамм стоит несколько сот долларов США.

Полевой транзистор на основе нанотрубки

На основе полупроводниковой или металлической нанотрубки удалось выполнить полевые транзисторы, работающие при комнатной температуре. Структура транзистора имеет вид, показанный на рисунке.

На кремниевой подложке формируют слой SiO₂. На поверхности SiO₂ формируются платиновые электроды. На электроды укладывается нанотрубка. Напряжение, управляющее проводимостью нанотрубки прикладывется к кремниевой подложке.

биполярный транзистор ток напряжение эмиттер



Поскольку размеры нанотрубок: длина от десятка нанометра, диаметр единицы нанометров и это экспериментально доказано, то возможно изготовление активных элементов нанометровых размеров.

Однако существуют причины, не пускающие нанотрубки в «большую электронику»:

o невозможность синтезировать нанотрубки четко определенных размеров, характеризующиеся определенными свойствами. Другими словами -- при синтезе каждый раз получаются нанотрубки с другими свойствами, разбег которых не позволяет использовать их серийно;

o нагрев и значительные потери энергии в местах соединения «металл-нанотрубка» из-за высокого сопротивления соединения.

Графен

Графемн -- слой атомов углерода, соединённых в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла.

По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и хорошей теплопроводностью. Высокая подвижность носителей тока при комнатной температуре делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

Впервые графен был синтезирован Андреем Геймом и Новоселовым.

В 2004 году была опубликована работа, где сообщалось о получении графена на подложке окисленного кремния. Этот метод получения графена гораздо ближе к промышленному производству. Свойства такой плёнки оказались эквивалентны свойствам графена.

. В марте 2006 года группа исследователей заявила, что ими был получен полевой транзистор на графене, Исследователи полагают, что благодаря их достижениям в скором времени появится новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов до 10 нм.

В одной статье предлагается создать тонкие полоски графена с такой шириной, чтобы благодаря квантово-размерному эффекту возникала запрещенная зона (28 мэВ соответствует ширине полоски 20 нм 0,028эВ). Благодаря высокой подвижности (имеется в виду, что подвижность выше чем в кремнии, используемом в микроэлектронике) 10⁴ см²·В^?1·с^?1 быстродействие такого транзистора будет заметно выше..

Графан

Международная группа ученых разработала метод получения графана - гидрированного производного графена (материала, представляющего собой листы моноатомной толщины, образованные атомами углерода). Ученые из Великобритании, России и Нидерландов утверждают, что изолирующие свойства графана дополняют отличные проводящие свойства графена, открывая новые перспективы для разработки графеновой наноэлектроники.



В результате добавления атомов водорода к графену (вверху) образуется графан (внизу).

Ученые, открывшее это превращение, в 2004 году были первыми исследователями, относительно не-сложным методом получившими графен.

«Химическая модификация вносит изменения в электронную структуру графена, создавая ненулевую запрещенную зону»,

Становится возможным получить цельный лист графана, напоминающий пластик, и затем с помощью «волшебного карандаша» удалять из его структуры водород. Работа такого «волшебного карандаша», возможно, будет основана на сканирующем принципе.



Список литературы

1. Абрикосов, А. А. Методы квантовой теории поля в статистической физике / А.А. Абрикосов, Л.П. Горьков, И.Е. Дзялошинский. - М.: Добросвет, КДУ, 2006. - 512 c.

2. Боголюбов, Н. Н. Н. Н. Боголюбов. Собрание научных трудов в 12 томах. Квантовая теория. Том 10. Введение в теорию квантованных полей / Н.Н. Боголюбов. - М.: Наука, 2008. - 736 c.

3. Боголюбов, Н.Н. Введение в квантовую статистическую механику / Н.Н. Боголюбов, Н.Н.(мл.) Боголюбов. - М.: Главная редакция физико-математической литературы издательства "Наука", 1984. - 384 c.

4. Вальков, К. И. Геометрические аспекты принципа инвариантной неопределенности / К.И. Вальков. - М.: Ленинградский ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительный институт, 1975. - 144 c.

5. Вильф, Ф. Ж. Логическая структура квантовой механики / Ф.Ж. Вильф. - М.: Едиториал УРСС, 2003. - 256 c.

6. Волошин, М. Б. Теория калибровочных взаимодействий элементарных частиц / М.Б. Волошин, К.А. Тер-Мартиросян. - М.: Ленанд, 2015. - 298 c.

7. Гейзенберг, В. В. Гейзенберг. Избранные труды / В. Гейзенберг. - М.: Едиториал УРСС, 2001. - 616 c.

8. Герцберг, Г. Спектры и строение двухатомных молекул: моногр. / Г. Герцберг. - М.: Книга по Требованию, 2012. - 418 c.

9. Гуревич, Г. С. Свет и тепло. Что излучает Солнце? Электромагнитные волны. Дифракция и интерференция (теория абсолютности) / Г.С. Гуревич, С.Н. Каневский. - М.: У Никитских ворот, 2012. - 397 c.

Размещено на Allbest.ru

...