Сразу же после того, как какой-то электрон перешел сквозь изолятор незаряженного перехода, на переходе появляется напряжение, препятствующее движению следующих частиц. Этот эффект называется кулоновской блокадой.

Кулоновская блокада представляет собой явление отсутствия тока из-за невозможности туннелирования электронов вследствие их кулоновского отталкивания при приложении напряжения к туннельному переходу.

Таким образом, очередной электрон пройдет через изолятор только тогда, когда предыдущий удалится от перехода. Это обеспечивает перескакивание электронов с проводника на проводник через определенные промежутки времени, так называемые одноэлектронные осцилляции. Частота таких перескоков определяется формулой (13).

,

где - частота одноэлектронных осцилляций, Гц.

Эффект кулоновской блокады позволяет управлять процессом туннелирования электронов. Для преодоления кулоновской блокады необходимо приложить к туннельному переходу напряжение, определяемое по формуле (14).

,

где - напряжение кулоновской блокады.

Процесс протекания тока через одиночный туннельный переход происходит в несколько стадий. На первой стадии граница между металлом и диэлектриком является электрически нейтральной. На второй стадии к металлическим обкладкам прикладывается электрический потенциал, и на границе раздела накапливается заряд. На третьей стадии происходит накопление заряда до тех пор, пока его величины не будет достаточно для преодоления туннельного перехода через диэлектрик. На четвертой стадии после акта туннелирования система возвращается в исходное состояние. При сохранении приложенного напряжения цикл повторяется снова.

Для наблюдения эффекта кулоновской блокады необходимо, чтобы выполнялось условие (15).

Для каждого одноэлектронного устройства существует своя критическая температура, выше которой оно перестает работать, так как за счет теплового движения электроны приобретают такую большую энергию, что могут прорвать кулоновскую блокаду. Эта температура обратно пропорциональна площади перехода: чем меньше его емкость, тем больше скачок напряжения, и тем выше барьер кулоновской блокады.

Эквивалентные схемы замещения туннельного перехода представлены на рисунке 16.

Рисунок 16 - Эквивалентные схемы замещения туннельного перехода

Переход характеризуется сопротивлением и емкостью , - паразитная емкость подводящих контактов. Если паразитная емкость больше собственной емкости перехода, то емкость системы будет определяться паразитной емкостью. Таким образом, для того, чтобы емкость контактов не шунтировала емкость перехода, была предложена схема с последовательным включением туннельных переходов.

5.2 Транспорт носителей

Рассмотрим двухпереходную систему с несимметричными переходами. Для темпа туннелирования через каждый переход справедлива формула (16), из которой видно, что если значения параметров и равны для обоих переходов, то при увеличении напряжения будет происходить плавный рост тока, так как количество пришедших на кулоновский остров электронов будет равно количеству ушедших.

,

где - темп туннелирования.

Вольт-амперная характеристика двухпереходной системы имеет ступенчатый вид. Она получила название "кулоновской лестницы". Ступеньки такой ВАХ будут тем ярче выражены, чем несимметричнее переходы. Ступеньки исчезают при симметрии переходов или при равенстве констант .

В системах с несколькими переходами имеет место процесс сотуннелирования, характеризующегося сохранением энергии между начальным и конечным состоянием всего массива переходов. В то же время поведение электрона на каждом отдельном переходе не определено.

Было отмечено, что квантовые точки находятся между электродами при использовании двух или более переходов. Эти нуль-мерные объекты имеют энергетический спектр, представляющий собой набор дискретных уровней.

5.3 Кремниевые одноэлектронные транзисторы

Кремниевый одноэлектронный транзистор с двумя затворами и одиночной квантовой точкой представлен на рисунке 17.

Рисунок 17 - Конструкция кремниевого одноэлектронного транзистора

Затвор данного транзистора состоит из двух частей, которые электрически связаны. При подаче на нижний затвор положительного напряжения в подложке p-типа формируется инверсионный n-канал. При подаче на верхний П-образный затвор отрицательного напряжения канал разрывается областями обеднения, возникают потенциальные барьеры и формируется квантовая точка. Если верхний затвор выполнить в Ш-образном виде, то в окнах между пластинами возникнут две квантовые точки.

На рисунке 18 представлена другая конструкция одноэлектронного транзистора, изготовленного по технологии "кремний на изоляторе".



Рисунок 18 - Схема квантово-точечного транзистора с поликремниевым затвором

С помощью процесса термического подзатворного окисления удалось уменьшить размеры квантовой точки, сформированной в верхнем кремниевом слое подложки, и одновременно увеличить высоту потенциальных барьеров между квантовой точкой и контактами.

Осцилляции вольтамперной характеристики обусловлены процессом одноэлектронного туннелирования.

5.4 Одноэлектронные транзисторы на основе гетероструктур

Основной идеей транзисторов на основе гетероструктур является формирование в области двумерного электронного газа (ДЭГ) квантовых точек, который можно создать в гетероструктуре типа GaAs/AlGaAs. В таких структурах осуществляется ограничение ДЭГ и формирование островков различными методами.

На рисунке 19 представлен двойной туннельный переход на основе гетероструктуры GaAs/AlGaAs, где ограничение ДЭГ и формирование квантовых точек осуществляется посредством прикладывания напряжения к металлическим расщепленным затворам Шоттки, расположенным на поверхности структуры.

Рисунок 19 - Структура на основе GaAs/AlGaAs с расщепленным затвором Шоттки

Отрицательное напряжение на расщепленных затворах формирует обедненный ДЭГ, его плотность контролируется напряжением, приложенным к проводящей подложке. В ДЭГ формируется канал с малыми сегментами (островками) между обедненными участками (барьерами).

Формирование квантовых точек в гетероструктурах GaAs/AlGaAs, а также в области затворов, истока, стока и канала можно осуществлять путем электронно-лучевой литографии и реактивного ионного травления канавок в исходной пластине. В результате таких технологических процессов происходит ограничение ДЭГ в этих областях.

В структуре с расщепленным затвором электрическое поле приложено перпендикулярно ДЭГ. При приложении горизонтального электрического поля вызванное напряжение на планарном затворе Шоттки действует на электроны в направлении, параллельном ДЭГ, вызывая его дополнительное ограничение.

5.5 Одноэлектронные металлические структуры

В таком типе транзисторов используются структуры типа Ме/МехОу/Ме, которые получают используя технологические процессы электронно-лучевой литографии, напыления и локального окисления. В качестве металла Me чаще используют Al, Ni, Cr, Ti.

Транзистор на основе туннельных переходов в структуре Ti/TiOх/Ti представлен на рисунке 20.

Рисунок 20 - Структура металлического одноэлектронного транзистора на основе туннельных переходов

Транзисторную структуру формируют методом окисления с помощью туннельного микроскопа. После нанесения пленки металла (Ti) ее поверхность окисляется анодированием с использованием острия СТМ в качестве катода.

На рисунке 21 представлена другая разновидность пленочных структур - транзистор на основе туннельных переходов Cr/Cr2O3/Cr, изготовленный методом ступенчатого торцевого среза.

Рисунок 21 - Схема одноэлектронного транзистора на основе ступенчатого среза

Основная идея метода заключается в том, что пленка проводника толщиной напыляется на предварительно изготовленную ступеньку диэлектрического материала толщиной . При < электроды не имеют контакта на торцах ступеньки, а ток через структуру течет за счет процесса туннелирования.

К другому типу металлических одноэлектронных структур относятся приборы на основе цепочек коллоидных частиц золота с молекулярными связями. Частицы золота осаждаются на подложку с использованием аминосиланового адгезионного средства с предварительно изготовленными металлическими (Au) электродами истока, стока и затвора, при этом они формируют островки, их органические молекулы служат туннельными барьерами. В результате соответствующей обработки образуются органические молекулы, связывающие осаждаемые коллоидные частицы и электроды истока и стока. Электронный транспорт в такой структуре осуществляется за счет туннелирования электронов через цепочку коллоидных частиц. Таким образом, данный прибор представляет собой многоостровковую цепочку.

5.6 Молекулярный одноэлектронный транзистор

Игла СТМ, малая проводящая частица и подложка представляют собой простейшую одноэлектронную цепь из двух последовательных туннельных переходов. Недостатком этой технологии было отсутствие управляющего электрода, с помощью которого можно было бы воздействовать на электронный транспорт.

С помощью этой технологии создан действующий макет молекулярного одноэлектронного транзистора с металлическим затвором, который управляет туннелированием единичных электронов с иглы СТМ на подложку через кластерную молекулу.

5.7 Цифровые устройства на одноэлектронных транзисторах

Явление дискретного одноэлектронного туннелирования может быть использовано в цифровых вычислительных устройствах. На основе одноэлектронных транзисторов созданы как элементы логических устройств, так и элементы запоминающих устройств.

В одноэлектронных логических схемах логическая "1" отождествляется с присутствием одиночного электрона, а логический "0" - с его отсутствием.

Конструкция прибора на многотуннельных переходах представлена на рисунке 22.

Рисунок 22 - Схема одноэлектронного элемента памяти

Структура квантовых транзисторов подобна обычному МОП-транзистору. Область между истоком и затвором представляет собой очень тонкую нанокристаллическую кремниевую пленку. Вещество пленки первоначально осаждается в аморфном состоянии, а затем кристаллизуется под воздействием высокой температуры. Естественным или искусственным образом сформированные нанокристаллы могут работать как сверхмалые области проводимости, где электроны могут накапливаться и образовывать вокруг этой области кулоновский барьер (блокаду), который может управлять амплитудой тока, протекающего между истоком и стоком устройства в зависимости от параметров смещения.

Действие устройства и его способность работать в качестве энергонезависимой ячейки памяти зависят от случайного формирования нанокристаллов, локализирующихся на потенциальной поверхности между истоком и стоком настолько близко к каналу протекания тока, что они могут влиять на проводимость этого канала.

5.8 Одноэлектронный механический транзистор

В наноэлектронике разработано устройство "механического" транзистора, способного передавать "поштучно" электроны из одной цепи в другую.

На проводники подается регулируемое по частоте переменное напряжение от генератора, вытравленного на одной подложке с "транзистором". Переменный ток приводит в действие изолированный и заземленный механический маятник, на конце которого находятся два утолщения (молоточка). В создании колебательных движений, подчиняясь электромагнитному эффекту, участвует "молоточек", находящийся между контактами генератора, но в соприкосновение с ними он не входит. Роль транзисторного "перехода" играет второй "молоточек", один из контактов - исток, а другой - сток. В цепь сток-исток включен источник тока и измерительный прибор. Колеблясь, маятник касается стока, и благодаря туннельному эффекту переносится один электрон. Удар в исток пересылает электрон дальше по цепи.

С прикладной точки зрения механический "транзистор" привлекателен для космической электроники, где радиоактивное излучение вносит много помех, вызывая спонтанные переходы в полупроводниковых слоях, а маятнику такое излучение не страшно. Очень выгодно использовать его в обычной вычислительной электронике (нет утечки и тепловых шумов). Если транзистор выключен, то он действительно выключен (сток и исток разделены физически).

6. Спинтроника

6.1 Волновые явления в магнитоупорядоченных средах

Спинволновая электроника представляет собой направление в наноэлектронике, в котором изучаются эффекты и явления в магнитоупорядоченных континуальных средах, а также создание приборов и устройств обработки и хранения информации.

Под спином понимается собственный момент количества движения элементарных частиц атома или атомарного ядра. Спин имеет квантовую природу и не связан с перемещением частицы как целого.

Спинтроника объединяет области исследований и разработок на эффектах переноса спинов в качестве носителей информации.

В соответствии с квантово-механическим представлением, элементарная частица в атоме характеризуется собственным или спиновым, и орбитальным механическими моментами. Собственные значения спинового момента частицы на некоторую ось принимают значения .

Орбитальный механический момент имеет классическую природу, однако подчиняется законам квантования и поэтому может принимать значения от 1 до .

Со спиновым механическим моментом связан спиновый магнитный момент по формуле (17).

,

где - спиновой магнитный момент;

- магнитомеханическое отношение для спина электрона.

Магнитомеханическое отношение для спина находится по формуле (18).

,

где - множитель Ланде (фактор магнитного расщепления);

- скорость света, .

С орбитальным механическим моментом связан орбитальный магнитный момент по формуле (19).

где - орбитальный магнитный момент;

- магнитомеханическое отношение для орбитального момента.

Магнитомеханическое отношение находится по формуле (20).

,

где .

Полный механический момент электрона есть векторная сумма спинового и орбитального момента, а полный магнитный момент - магнитных моментов.

Магнитный момент атома складывается из орбитальных и спиновых моментов всех электронов, входящих в атом, и спинового магнитного момента ядра.

В твердом теле атомы (ионы) находятся в узлах кристаллической решетки. Между ними имеет место электрическое и магнитное взаимодействие. Электрическое взаимодействие на пять порядков больше магнитного. Оба типа взаимодействия подчиняются закону обратных квадратов и являются дальнодействующими.

Кроме указанных взаимодействий имеет место сильное обменное взаимодействие, которое носит чисто квантовый характер. Энергия обменного взаимодействия минимальна. Известно, что система всегда стремится к состоянию с минимальной энергией, в этом и заключается явление магнитной упорядоченности в магнитных кристаллах. В равновесном состоянии спины стремятся выстроиться либо параллельно, либо антипараллельно.

Энергия обменного взаимодействия по порядку величины значительно больше энергии магнитного взаимодействия, поэтому последнее играет сравнительно малую роль в магнитной упорядоченности, однако, обменные силы являются короткодействующими и действуют на значительно меньших расстояниях, чем магнитные.

Магнитное упорядочение заключается в существовании определенной закономерности расположения элементарных магнитных моментов атомов, ионов, электронов.

Известны вещества, обладающие в отсутствие внешнего магнитного поля упорядоченной магнитной структурой - ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики (ферриты).

Ферромагнетики обладают спонтанной параллельной ориентацией элементарных магнитных моментов, приводящей к намагниченности. Ответственными за эту ориентацию являются обменные силы. Атомы этих элементов имеют незаполненные электронами внутренние оболочки, в которых возникает нескомпенсированный магнитный момент. Спиновая часть этого момента сохраняется при вхождении элемента в состав вещества. Орбитальная часть этого момента сильно подавляется и не играет заметной роли. Это вещества со спиновым магнетизмом.

В антиферромагнетиках имеет место "шахматная" упорядоченность. В этом случае каждый магнитный момент окружен антипараллельными моментами. В итоге суммарный магнитный момент будет мал.

Ферриты, или ферримагнетики, обладают аналогичной спонтанной "шахматной" упорядоченностью. Вследствие различия моментов, направленных в разные стороны, имеет место значительный результирующий магнитный момент. Эти вещества получили еще одно название - магнитный диэлектрик.

В магнитоупорядоченных кристаллах спины взаимодействуют между собой двояким образом: или это обычное магнитное диполь-дипольное взаимодействие, или имеет место обменное взаимодействие. Два типа взаимодействия вызывают два рода упругих сил в магнитном диэлектрике - магнитные и обменные силы. Первые являются дальнодействующими. Во взаимодействии принимают участие сразу много узлов кристаллической решетки, и его часто называют коллективным. В ближнем порядке между соседними атомами имеет место обменное взаимодействие. Обменные силы являются короткодействующими и хорошо описывают коротковолновые возмущения узлов кристаллической решетки. В этом случае смещения соседних узлов кристаллической решетки достаточно велики и обменные силы выступают на первый план.

Таким образом, длинноволновые возмущения вызывают магнитные силы, или магнитную упругость, а коротковолновые возмущения - обменные силы, или обменную упругость. Наличие двух типов возмущения порождает возможность генерации и распространения двух видов волн - спиновых магнитостатических волн и спиновых обменных волн. Волны первого типа называют магнитостатическими, а второго типа - спиновыми.

Рассмотрим ситуацию, когда в основном состоянии все магнитные моменты атомов параллельны и направлены в одну сторону вдоль внешнего магнитного поля . Если вывести крайний вектор из положения равновесия, то магнитный момент атома начнет прецессировать вокруг магнитного поля . При этом возникнет высокочастотное магнитное поле, которое воздействует на следующий магнитный момент, принуждая его к прецессии. Такое возбуждение пойдет по следующим магнитным моментам. В результате вдоль цепочки магнитных векторов побежит фазовая волна возмущения.

Если длина волны значительно больше размеров кристаллической решетки, то в магнитоупорядоченных структурах могут распространяться медленные волны. Волны этого типа называют магнитостатическими волнами (МСВ). Эти волны способны переносить энергию в результате диполь-дипольного взаимодействия.

Если длина волны возмущений примерно равна размерам кристаллической решетки, то такие волны обусловлены обменным взаимодействием, а волны этого типа носят название спиновых волн (СВ). Энергия в такого типа волнах переносится благодаря обмену.

Итак, спиновая волна представляет собой волну нарушения магнитной упорядоченности, или элементарное возбуждение. Квазичастицы, соответствующие спиновой волне, называются магнонами.

Практический интерес представляет поверхностная магнитодипольная волна, или поверхностная магнитостатическая волна (ПМСВ). Ее групповая скорость совпадает по знаку с фазовой скоростью, их энергия и фаза перемещаются в одну и ту же сторону.

6.2 Приборы на МСВ

нанолитография микроскоп лазер электроника

Линии задержки (ЛЗ) представляют собой устройства для временной задержки электрических сигналов при несущественных искажениях их формы.

Одна из конструкций линии задержек изображена на рисунке 23.



Рисунок 23 - Структура линии задержки: 1 - подложка из гадолиний-галлиевого граната; 2 - пленка из железо-иттриевого граната; 3 - микрополосковая линия; 4 - управляющий экран; 5 - подложка из оксида алюминия; 6 - выход компланарной линии; 7 - вход компланарной линии

Одним из направлений, связанных с разработкой бездисперсионных перестраиваемых линий задержки на МСВ в широкой полосе частот, является использование каскадных схем. Это последовательно включенные две линейно перестраиваемые ЛЗ с взаимно обратными характеристиками. Такие конструкции позволяют в определенных пределах модулировать по величине полную задержку сигнала.

Весьма интересное применение магнитостатические волны нашли в фильтрах СВЧ-сигналов. Фильтры на МСВ способны легко перестраиваться по спектральному диапазону за счет изменения внешнего магнитного поля.

Структура спин-клапанного транзистора изображена на рисунке 24.

Рисунок 24 - Структура спин-клапанного транзистора

Электронный ток от эмиттера к коллектору возникает при достижении определенной величины напряжения смещения между ними. Конструктивной особенностью коллектора является наличие в нем квантовой ямы, которая формируется за счет гетероперехода GaAs/AlGaAs. В ней происходит рекомбинация электронов и дырок, сопровождающаяся генерацией фотонов.

Управление таким транзистором осуществляется за счет прохождения электронов через ферромагнитные слои Со и NiFe. При приложении внешнего поля в несколько сотен гаусс спины электронов, эмитированных коллектором, поляризуются определенным образом в слое кобальта. Слой NiFe намагничивается в том же параллельном направлении и не препятствует прохождению электронов с заданной ориентацией спинов.

Если уменьшить значение магнитного поля на порядок, то вследствие остаточной индукции векторы намагниченности слоев Со и NiFe будут антипараллельны. Это вызовет снижение величины электронного тока.

Заключение

Результатом написания реферата являются полученные знания об основах наноэлектронике, применяемых технологиях, перспективных разработках и устройствах. Был рассмотрен ряд наноэлектронных приборах, имеющих в своей основе различные физические явления и эффекты.

Полученная информация является важной для понимания перспектив электроники и путей ее развития.

Библиографический список

1. Щука, А.А. Наноэлектроника / А.А. Щука. - М.: Физматкнига, 2007. - 464 с.

2. СТО ЮУрГУ 17-2008 Стандарт организации. Учебные рефераты. Общие требования к содержанию и оформлению / Т.И. Парубочая, Н.В. Сырейщикова, В.А. Смолко, Л.В. Винокурова. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2008. - 40 с.

Размещено на Allbest.ru