Транзисторы на горячих электронах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Горячие носители заряда в гетероструктурах с селективным легированием

2. Транзисторы с инжекцией горячих электронов

3. Транзисторы на горячих электронах

4. Горячие электроны в резистивном состоянии тонких пленок сверхпроводников

Заключение

Список использованных источников

Введение

Мощным толчком развития электроники на основе GaAs и родственных соединений явилось создание в 1967 г. в ФТИ им.А.Ф. Иоффе под руководством Ж.И.Алферова эффективно инжектирующих гетеропереходов в системе GaAs,AlGaAs, близких по своим свойствам к идеальным. Создание идеальных гетеропереходов в системе GaAs,AlGaAs позволило не только изучить специфические особенности электрических и оптических явлений в гетероструктурах, но и способствовало появлению новых идей по применению гетероструктур в полупроводниковых приборах, поиску других материалов, образующих идеальные гетеропереходы, а также разработке новых методов получения гетероструктур. Именно развитие новых технологий прецизионного выращивания гетероструктур - молекулярно -пучковой эпитаксии (МВЕ) и химического осаждения из газовой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) позволили приступить к созданию многослойных гетероструктур с резкими интерфейсами и размерами активных областей сравнимыми с длиной волны электрона. Все это привело к тому, что основную роль при описании приборов начинают играть квантово-размерные эффекты и эффекты связанные с нестационарными процессами переноса носителей, поскольку в таких структурах наблюдается интерференция электронных волн и вызванные ею размерные квантовые эффекты - квантование энергии и импульса носителей заряда, резонансный характер прохождения электронов через барьерные слои. Эти же методы выращивания позволили создать новый класс полупроводниковых структур - сверхрешетки, обладающие уникальными свойствами.

1. Горячие носители заряда в гетероструктурах с селективным легированием

Эффекты разогрева электронного газа электрическим полем проявляются в работе практически всех видов быстродействующих транзисторов. Однако существуют типы транзисторов, принцип действия которых основан на эффектах разогрева электронного газа. К ним относятся транзисторы с инжекцией горячих электронов и транзисторы с переносом разогретого электронного газа в пространстве. В транзисторах с инжекцией горячих электронов, часто называемых просто баллистическими электронными транзисторами БЭТ (BET -- Ballistic Electron Transistor), инжектируемым из эмиттера в базу электронам с помощью резкого потенциального барьера сообщается высокая начальная скорость, благодаря которой электроны пролетают базу баллистически в инерционном полете. При этом толщина базы должна быть меньше средней длины свободного пробега носителей заряда. В транзисторах на горячих электронах с переносом электронного газа в пространстве используется эмиссия горячих электронов через потенциальный барьер, в определенной степени аналогичная эмиссии электронов из горячего катода в вакуумном диоде.

2. Транзисторы с инжекцией горячих электронов

Баллистический транзистор, также как и биполярный транзистор (БТ), имеет эмиттер -- инжектор электронов, базу и коллектор -- собиратель инжектированных электронов. Однако баллистический транзистор в принципе отличается от обычного БТ высоким уровнем энергии инжектируемых в базу электронов, а также тем, что он, как правило, униполярный (хотя встречаются и биполярные баллистические транзисторы). Все элементы униполярного транзистора (эмиттер, база, коллектор) имеют одинаковый тип проводимости, и в базу инжектируются неравновесные основные носители. Это обстоятельство способствует повышению быстродействия транзистора, так как позволяет выбрать в качестве рабочих носителей заряда наиболее быстрые и, кроме того, снижает величины емкостей эмиттерного и коллекторного переходов за счет отсутствия диффузионных составляющих, связанных с неосновными носителями. Быстродействие транзистора определяется так же, как и в БТ, временем пролета электроном базы и произведением наибольшего сопротивления в схеме транзистора (продольного сопротивления базы) на емкость коллектора и эмиттера. Время пролета базы определяется величиной начальной скорости

электронов , и в случае баллистического бесстолкновительного пролета оно равно, где -- толщина базы. Благодаря высокой скорости инжектируемых электронов время пролета базы в баллистических транзисторах на горячих электронах составляет доли пикосекунды. Именно в достижении короткого времени пролета базы за счет высокой начальной скорости инжекции электрона и состоит основная идея повышения быстродействия транзистора. Величина начальной скорости инжектированных электронов определяется структурой барьера эмиттер--база.

Рисунок 1 - Схема потенциала дна зоны проводимости баллистических униполярных транзисторов на горячих электронах: а -- гетероструктурного с туннельным эмиттером; б -- с планарно-легированными барьерами.

В туннельном барьере (рис. 1, а) начальная скорость определяется разностью потенциалов между эмиттером и базой. Барьер образуется гетеропереходом Al Ga As -- Ga As, причем легированной областью является слой Ga As -- база транзистора.

В транзисторе с планарно-легированными барьерами(рис. 1, б) эмиттерный и коллекторный барьеры образуются за счет отрицательного заряда тонкого слоя ионизированных акцепторов. Планарно-легированный барьер представляет собой n -- i -- p -- i -- n-структуру. Аналогично формируется структура «Camel»-барьера (n+ -- p -- n), с использованием которой созданы «кемел»-транзисторы [86]. Ток эмиттера определяется термоэлектронной эмиссией через планарнолегированный барьер. Скорость баллистических электронов определяется величиной суммарного потенциала, образуемого высотой барьера и приложенного к эмиттеру напряжения. Транзисторы с планарно-легированными барьерами называют еще монолитными (сделанными из одного и того же материала) транзисторами на горячих электронах.

Инжектированный пучок электронов имеет относительно малую ширину разброса по шкале энергий. За время практически мгновенного ускорения электрона полем гетероперехода симметричная часть функции распределения электронов по энергиям не успевает измениться и остается равновесной в течение времени баллистического пролета базы. Поэтому высота коллекторного барьера в баллистическом транзисторе может быть сделана достаточно высокой: лишь на несколько , где -- температура кристалла, ниже эмиттерного барьера. Высокий коллекторный барьер обеспечивает малый ток коллектор--база, а значит, высокий коэффициент усиления транзистора по току.

С другой стороны, значительное понижение высоты барьера коллектора по отношению к эмиттеру снижает быстродействие транзистора, так как такой коллектор будет собирать не только быстрые баллистические электроны, но и медленно летящие электроны, испытавшие рассеяние в базе.

Теоретические оценки скорости баллистических электронов и средней длины их баллистического пролета для соединений типа с учетом реальной зонной структуры и рассеяния на фононах и примесях (N = 1018 см?3) показали, что оптимальная величина энергии инжектируемых электронов лежит несколько ниже минимума энергии L-долин или энергии ударной ионизации . Инжекция электронов с более высокими энергиями ведет к быстрому росту частоты столкновений с потерей направленной дрейфовой скорости.

В условиях сильного легирования базы баллистический пролет имеет свою специфику, связанную с взаимодействием пучка горячих электронов с «морем» холодных, из-за которого резко снижается длина свободного баллистического пролета. Поэтому целесообразно добиваться снижения сопротивления базы не за счет легирования, а используя квантовые эффекты, конкретно, размерное квантование электронного газа в базе.

Еще один квантовый эффект может быть использован при конструировании базы баллистического транзистора на горячих электронах. Как показывает анализ структуры электронных уровней и механизмов рассеяния в сверхрешетке Ga As --Al Ga As, выполненый в работе, эффективная масса электронов в верхних подзонах может быть очень малой, и подвижность горячих электронов в этих подзонах соответственно велика. Более того, рассеяние между подзонами сверхрешетки может быть сильно подавлено, что ведет к увеличению времени релаксации по энергии и росту длины свободного квазибалластического пролета электрона. Например, длина свободного пробега электрона, инжектируемого в третью миниподзону сверхрешетки с кинетической энергией 50 мэВ при учете примесного (N = ) и фононного (300 K) рассеяния, достигает (1 ч 2) · нм.

Как видим, использование сверхрешетки в качестве базы позволяет сделать большой длину баллистического пролета и для электронов с относительно малой энергией.

Существенным моментом, определяющим эффективность работы униполярного транзистора на горячих электронах, является квантово-механическое отражение баллистических электронов, пролетающих над гетеропереходами, особенно над гетеропереходом база--коллектор.

Быстродействие баллистического транзистора определяется не только временем баллистического пролета базы, но и коллекторного барьера. Хотя в коллекторном барьере в отличие от базы, как правило, имеется сильное ускоряющее электрическое поле, оно не всегда приводит к сокращению времени пролета из-за переброса электронов в верхние долины с малой подвижностью. Так, расчет времени пролета коллекторного барьера Ga As -- Al Ga As толщиной 100 нм показал, что приложение к коллектору положительного ускоряющего электроны напряжения приводит не к уменьшению, а к росту времени пролета и исчезновению баллистического пучка в спектре электронов на выходе коллектора.

3. Транзисторы на горячих электронах

К настоящему времени разработаны два типа транзисторов, для работы которых существенное значение имеет тот факт, что электроны, пролетающие через канал или базу, являются горячими, т. е. имеют кинетическую энергию значительно выше равновесной.

В первом типе транзисторов на основе горячих электронов используется структура полевого транзистора с высокой подвижностью носителей заряда. В таком транзисторе ток течет в канале, образованном

двумерным электронным газом. При увеличении электрического поля в канале температура электронов возрастает и может оказаться настолько высокой, что электроны могут с помощью термоэлектронной эмиссии перейти в слой широкозонного твердого раствора, где их скорость становится малой (рис.2).

Такой механизм протекания тока может привести к образованию отрицательной дифференциальной проводимости канала. Работа полевого транзистора с отрицательным сопротивлением - ПТОС - основана на этом принципе.

Рисунок 2 - Иллюстрация переноса электронов через канал протекания тока с двумерным электронным газом: а - в слабом электрическом поле электроны локализованы в одномерной потенциальной яме; б - в сильном электрическом поле значительная часть электронов приобретает от поля энергию, достаточную для выхода из потенциальной ямы.

Возрастание температуры электронов с ростом напряжения сток-исток приводит к увеличению тока , протекающего от канала (эмиттера) через барьер к коллектору, и, следовательно, к уменьшению тока сток-исток, т.е. к отрицательному дифференциальному сопротивлению канала (рис.3). Преимущество такого прибора - возможность реализации более быстродействующих режимов работы, т.к. управление током эмиттер-коллектор в этом случае связано с разогревом электронов. Изменение температуры электронов ограничено наибольшим из двух характерных времен - временем релаксации энергии и временем изменения электрического поля. Последнее определяется временем пролета электронов через область сильного поля вблизи стока и может быть в несколько раз короче времени их пролета через весь канал, которое ограничивает собственное быстродействие обычных полевых транзисторов.

Рисунок 3 - Схематическое изображение структуры ПТОС - транзистора.

электрон горячий сверхпроводник транзистор

Помимо высокого быстродействия транзисторов на горячих электронах такого типа привлекает возможность построения на их основе новых приборов - с расширенными функциональными возможностями. Например, в четырехэлектродной структуре, которая может быть получена добавлением к ПТОС еще одного электрода, подобного стоку или истоку, может быть реализована логическая функция, для выполнения которой на обычных элементах требуется использовать несколько транзисторов.

Изготовление такого транзистора оказалось возможным только после решения проблем, связанных с выбором полупроводникового материала для слоя базы, улучшением технологии нанесения слоев, оптимизацией энергетической структуры транзистора, учетом и использованием квантово-размерных эффектов. Поиски оптимального построения униполярного прибора привели к созданию транзистора на горячих электронах с резонансным туннелированием.

4. Горячие электроны в резистивном состоянии тонких пленок сверхпроводников

Переход металлов в сверхпроводящее состояние при понижении температуры, когда электрическое сопротивление резко падает до нуля, открыт голландским ученым Каммерлинг-Оннесом в 1911 году. После открытия Беднорцем и Мюллером высокотемпературной сверхпроводимости в 1986 году интерес физиков к ней снова резко повысился. Этот фазовый переход чем-то похож на переход пар - жидкость или жидкость - твердое тело, однако он не требует поглощения или выделения скрытой теплоты: это фазовый переход второго рода. Тем не менее здесь также проявляется одна из ярких черт фазового перехода: сверхпроводящий переход осуществляется практически при фиксированной температуре, которая называется критической и обозначается Тс. У традиционных сверхпроводников она лежит в области очень низких температур, которые могут быть получены с помощью жидкого гелия (4,2 К) или водорода (21 К), а у новых, высокотемпературных сверхпроводников - с помощью жидкого азота и даже вдвое выше температуры его кипения (77 К). Для обсуждаемого случая существенно, что электрическое сопротивление при температуре сверхпроводящего перехода очень чувствительно к малейшему изменению температуры вблизи критической Тс . В этой очень узкой области температур сопротивление меньше, чем у того же металла в нормальном состоянии, но не равно нулю, как в сверхпроводящем. Увеличивая электрический ток, можно понижать Тс и получать такое резистивное состояние при более низкой температуре. Поскольку сверхпроводящий переход - явление электронное, то резистивное состояние сверхпроводника оказывается очень чувствительным к температуре электронов. Таким образом, мы получаем чувствительный "термометр" электронной температуры, что очень полезно не только для изучения неравновесных явлений в металлах, но и для практических применений.

Когда же температура становится выше критической, мы имеем дело с обычным металлом, у которого электрическое сопротивление относительно слабо зависит от температуры, особенно при низких температурах. При протекании электрического тока в металле выделяется тепло Джоуля-Ленца и металл нагревается. Только избавившись от нагрева целиком всего металла, можно непосредственно изучать неравновесные явления в электронном газе металла. Оказывается, для этого достаточно приготовить металл в виде очень тонкой пленки на диэлектрической подложке и сформировать из нее узкую и короткую полоску.

Это легко понять, если учесть, что тепло выделяется в объеме металла, а уходит через его поверхность. Для тонкой пленки с уменьшением ее толщины поверхность соприкосновения с подложкой не меняется, а объем пропорционально уменьшается, так что теплоотвод от единицы объема металла растет. Однако теплопроводность подложки конечна, что приводит к ее нагреву под пленкой и, в свою очередь, к нагреву пленки. Если же мы сделаем малыми размеры в плане, мы, конечно же, не изменим отношение объема к поверхности, но существенно уменьшим полное количество выделяемого тепла, позволив ему растекаться по подложке во все стороны. Практически приведенные выше качественные рассуждения приводят к искомому результату для ультратонких пленок (толщиной ~ 10 нм), имеющих размеры в плане ~ 1 мкм.

Интересные физические явления, важные также для практических применений, возникают не столько при протекании тока, сколько при взаимодействии с электромагнитным полем. Когда электрон в тонкой металлической пленке поглощает квант энергии электромагнитного поля (фотон), недостаточный по величине для внешнего фотоэффекта, электрон приобретает избыточную энергию, оставаясь в металле. Таких электронов может быть много, однако специальной физической проблемой является возможность приписать этому коллективу определенное значение температуры, то есть рассматривать их как горячие электроны. Эта проблема решается в какой-то мере аналогично имеющей место в идеальном газе. Хотя идеальный газ - самая простая модель обычного реального газа, даже в ней важную роль играют соударения между атомами и молекулами. Именно они обеспечивают установление равновесного распределения молекул по энергии и дают тем самым возможность характеризовать газ определенным значением температуры. В очень тонких металлических пленках при низких температурах межэлектронные столкновения оказываются достаточно частыми, чтобы можно было описывать их коллектив с помощью электронной температуры. Однако ситуация здесь гораздо более сложная, чем в идеальном газе. Для электрона в кристалле есть и другая возможность потерять энергию - возбудить тепловые колебания атомов или молекул, которые распространяются в виде упругих волн в решетке ионов. На языке частиц такие волны называются фононами. В чистых и совершенных металлических кристаллах обычно электрон, обладающий избыточной энергией, быстрее испускает фононы и теряет энергию, чем передает ее другим электронам. Но очень тонкие металлические пленки, как правило, несовершенны, и это меняет ситуацию. В них много кристаллических дефектов и примесей, рассеивающих электроны. Даже то, что электронный газ заключен между двумя поверхностями самой пленки, расположенными на малом расстоянии друг от друга, также приводит к ограничению свободного движения электронов. При рассеянии на примесях, дефектах кристаллической решетки и поверхностях пленки два свободных электрона, оказавшись один раз вблизи друг друга, гораздо дольше остаются рядом, чем в совершенном массивном металле. Оказывается, что межэлектронные столкновения при этом происходят гораздо чаще. Мы не будем углубляться дальше в это сложное квантовомеханическое явление. Подчеркнем лишь еще раз, что оно обеспечивает перераспределение избыточной энергии среди электронов быстрее, чем испускание ими фононов.

При этом энергия не теряется, она остается в электронной подсистеме, перемешивается в ней, и лишь после этого происходит испускание фононов. Этот последний процесс тем не менее достаточно быстрый: характерное время остывания электронной подсистемы, испускающей фононы, близко ко времени электрон-фононного взаимодействия и зависит от вида металла и температуры. Для трех сверхпроводников, которые мы здесь будем рассматривать в качестве конкретных примеров, при температуре, близкой к критической, оно составляет по порядку величины: для тонких пленок Nb ~ 10- 9 c, для NbN ~ 10- 11 c, а для высокотемпературного сверхпроводника YBaCuO ~ 10- 12 c. Все же время межэлектронного взаимодействия, как уже было сказано, еще меньше или того же порядка величины. Существенным следствием является то, что энергия даже большого по величине кванта (для света с малой длиной волны) не теряется даже частично, успевая перераспределиться среди электронов при их столкновении друг с другом. В этом случае величина температуры электронов зависит лишь от мощности излучения и не зависит от частоты.

Однако вопрос о зависимости избыточной электронной температуры от частоты электромагнитного излучения требует еще одного разъяснения. Дело в том, что мы еще ничего не сказали о частотной зависимости поглощения излучения. Оказывается, что для очень тонкой металлической пленки доля поглощенной мощности падающего излучения довольно велика и частотно независима вплоть до очень высоких частот, соответствующих видимому свету или даже ультрафиолетовому.

Таким образом, сопротивление тонкой сверхпроводящей пленки в резистивном состоянии быстро и с высокой чувствительностью реагирует на электромагнитное излучение (растет пропорционально мощности независимо от его частоты в очень широких пределах). На этой основе разработан новый нелинейный элемент, перспективный для использования в целом ряде областей.

Заключение

Транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, предназначенный для использования в устройствах, осуществляющих генерацию и усиление электрических колебаний. Основой любого транзистора является кристаллическая пластинка полупроводника, в котором используются те или иные свойства полупроводникового материала и электронно-дырочных переходов, в результате чего представляется возможным с помощью слабых управляющих токов или напряжений получать более мощные электрические колебания требуемого вида.

Подобно тому, как существует большое множество разновидностей диодов, известно большое число видов и разновидностей транзисторов.

Транзисторы различаются по числу основных видов носителей заряда, используемых при работе прибора. Транзисторы, в которых используются оба вида носителей, дырки и электроны, называются биполярными. В зависимости от геометрической структуры размещения зон с различной проводимостью они могут быть прямой (p - n - p) или обратной проводимости (n - p - n). Транзисторы, у которых используется только один основной носитель заряда, например, только дырки или только электроны, называются полярными

Самыми известными и доступными являются биполярные транзисторы прямой (p - n - p) и обратной (n - p - n) проводимости. Менее известны и доступны полевые транзисторы с каналом p и n типа.

Список использованных источников

1. Д. А. Усанов А. В. Скрипаль :Физические основы наноэлектроники. Учебное пособие для студентов факультета нано- и биомедицинских технологий. --Саратов, 2013.

2. Парфенов В.В.: Квантово-размерные структуры в электронике: транзисторные структуры и клеточные автоматы (элементы теории, руководство и задания к лабораторным работам). Методическое пособие для студентов физического факультета. - Казань, 2007.

3. Пасынков В.В., Сорокин В.С.: Материалы электронной техники, СПб, 2003.

4. Агаханян Т. М. Основы транзисторной электроники. - М.: Энергия, 1974.

Размещено на Allbest.ru