ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОЧАСТИЦ Свойства твердых тел у которых

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОЧАСТИЦ Свойства твердых тел, у которых хотя бы один из линейных размеров менее 100 нм, существенно отличаются от свойств объектов традиционной физики. Наночастицы представляют собой совокупности связанных атомов и молекул, называемых кластерами. Частицы с размерами порядка 0, 1 нм относят к атомным, а частицы с размерами порядка фемтометра (10 -15 м) — к ядерным. Кластер радиусом 1 нм содержит примерно 25 атомов, причем большинство из них находится на поверхности кластера. Большинство металлов кристаллизуются в плотноупакованные решетки. Многие металлы, такие как Al, Au, Cu, Pt и др. , а также благородные газы Ne, Ar, Kr и др. , кристаллизуются в так называемую гранецентрированную кубическую решетку, изображенную на следующем рисунке. Каждый атом в обеих плотноупакованных решетках имеет 12 соседей атома, указанного на рисунке в центре куба. Такие 13 атомов составляют наименьшую из теоретически возможных наночастиц гранецентрированной решетки. Количество атомов для наночастиц с гранецентрированной кубической структурой зависит от числа атомных слоев. В полупроводниковых соединениях типа AIIIBV и AIIBVI, таких как Zn. S и Ga. As соответственно, также происходит кристаллизация атомов одного типа в гранецентрированные подрешетки, как показано на рисунке.

Каждый атом цинка (светлый кружок) находится в центре тетраэдра из атомов серы (темные кружки), и, наоборот, каждый атом серы имеет в качестве ближайших соседей четыре атома цинка. Кремний и германий кристаллизуются в такую же решетку, причем атомы этих веществ занимают узлы обеих подрешеток так, что в элементарной ячейке оказывается 8 одинаковых атомов. Такое расположение атомов называется алмазной решеткой. Наночастицы могут быть построены как посредством сборки отдельных атомов, так и дроблением объемного материала. Размеры наночастиц меньше, чем критические длины, характеризующие многие физические явления. Это и придают им уникальные свойства. Многие физические свойства определяются некоторой критической длиной, например характерным расстоянием тепловой диффузии или длиной рассеяния. Электропроводность металла в большей степени зависит от расстояния, которое электрон проходит между двумя соударениями с колеблющимися атомами или атомами примеси в твердом теле. Это расстояние называется средней длиной свободного пробега. Если размер частицы меньше какой-либо характерной длины, возможно появление новых физических и химических свойств. Итак, наночастицей считается агрегат атомов с размерами от 1 до 100 нм, рассматриваемый как часть объемного материала, но с размерами, меньшими характерных длин некоторых явлений.

СВОЙСТВА УГЛЕРОДНЫХ НАНОСТРУКТУР В результате гибридизации s- и p-орбитальных 4 -валентных электронов, атом углерода может образовывать ковалентные связи с другими атомами углерода. В зависимости от способа гибридизации возникают связи с различной ориентацией, что обусловливает различные формы существования углерода. Наиболее известные формы существования углерода – две кристаллические структуры: алмаз и графит. При sp 2 -гибридизации атомы углерода образуют двумерную плоскую структуру – графен, кристаллическая решетка которого имеет вид 6 -угольных сот. Графит же представляет собой стопку листов графена, слабо связанных между собой силами Ван-дер-Ваальса. При этом графен образует не бесконечные плоскости из 6 -угольников, а существует в виде чешуек с линейными размерами ~ 20 нм. Атомы углерода в соседних плоскостях располагаются над центрами 6 -угольников из соседних слоев. Интерес к графену вызван тем, что, являясь 2 -мерной системой, он обеспечивает абсолютный предел миниатюризации и идеальным образом подходит к современным планарным технологиям создания интегральных схем. С помощью нанолитографии из графена можно вырезать куски произвольной формы и устанавливать на них контактные и бесконтактные электроды. На основе листа графена можно создавать разнообразные периодические структуры.

Подвижность носителей заряда в графене достигает рекордно высоких значений и почти не зависит от концентрации, что является очень ценным свойством для возможных приложений, в частности для баллистической электроники. Вблизи уровня Ферми электроны в графене обладают линейной дисперсией, а энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости отсутствует. Зона проводимости и валентная зона могут соприкасаться в некоторых точках (точках Дирака), в которых дисперсия имеет вид: E=hvфk, где vф=106 м/с (скорость Ферми), k- модуль волнового вектора. На основании этого электроны в графене можно рассматривать как частицы с нулевой эффективной массой. Экспериментально достигнутое значение подвижности электронов в графене 2 • 105 см 2/Вс. Подложку, на которой формируется графеновая пленка, можно использовать в качестве затвора, изменяя проводимость графена, аналогично тому, как это делается в полевых транзисторах. Т. к. графен – полуметалл, приложение положительного напряжения приводит к электронной проводимости пленки, а приложение отрицательного напряжения - к дырочной проводимости. На основе графена создаются и исследуются полевые нанотранзисторы, перспективно создание одноэлектронных транзисторов. Очень малая спин-орбитальная связь и большая подвижность зарядов в графене делают возможным спиновый транспорт на микронных расстояниях при комнатной температуре. Это позволяет рассматривать графен как основу для создания элементной базы спинтроники. Однако все эти перспективы сильно зависят от стоимости изготовления графена.

При сворачивании графена в цилиндр получается одностенная нанотрубка. В зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости, нанотрубки могут обладать или металлическими, или полупроводниковыми свойствами. Нанотрубки – это нитевидные наночастицы из атомов углерода или других элементов, содержащие протяженную внутреннюю полость. Углеродные нанотрубки -цилиндрические молекулы диаметром примерно от половины нанометра и длиной до нескольких микрометров. Впервые они были обнаружены в 1991 г. Ииджимой как побочный продукт синтеза фуллерена C 60.

Фуллеренами называют класс молекул, состоящих из атомов углерода и образующих оболочки с 12 -ю пятиугольными кольцами и 2 -мя или более шестиугольными кольцами. Каждый атом углерода в фуллеренах соединен с 3 -мя соседними атомами; общее число атомов всегда четное. Пятиугольники в классическом фуллерене C 60 друг с другом не сочленяются и отделены один от другого не более чем одним шестиугольником. Структура молекулы фуллерена С 60 приведена на следующем рисунке. Геометрия молекулы близка к форме футбольного мяча, также состоящего из пяти- и шестигранных фасеток. Шарообразные молекулы соединяются друг с другом с образованием гранецентрированной кристаллической решетки, показанной на рисунке. Расстояние между центрами ближайших молекул составляет около 1 нм.

Электрические свойства нанотрубок зависят от их геометрических параметров. Атомы углерода в нанотрубках имеют тройную координацию, а значит, нанотрубки — это сопряженные системы. В них 3 из 4 -х валентных электронов каждого атома углерода образуют локализованные σ-связи, а четвертый участвует в образовании делокализованной π-системы. Эти π – электроны слабо связаны со своими атомами, поэтому именно они могут участвовать в переносе заряда в системе. Не содержащая дефектов одностенная углеродная нанотрубка представляет собой свернутую в виде цилиндра ленту с упаковкой атомов по типу графита. В общем случае нанотрубки обладают винтовой осью симметрии - хиральностью. Нанотрубки, у которых углеродные шестиугольники ориентированы параллельно и перпендикулярно оси цилиндра, называются нехиральными. Электронная структура нехиральных трубок изображена на следующем рисунке.

Высокая (металлическая) проводимость появляется, если занятые π- состояния не отделены от вакантных π*- состояний. В противном случае нанотрубка - полупроводник. Полупроводниковые нанотрубки имеют ширину запрещенной зоны от нескольких десятых э. В до 2 э. В, возрастающую с уменьшением диаметра нанотрубки. Нанотрубки обладают ярко выраженным магнитосопротивлением, когда электропроводность сильно зависит от индукции магнитного поля. Если приложить внешнее поле в направлении оси нанотрубки, наблюдаются заметные осцилляции электропроводности. Колебательный характер зависимости электропроводности от потока магнитной индукции через нанотрубку объясняется зависимостью фазы электронной волны от магнитного потока. Это объясняется эффектом Ааронова — Бома.

Электрические и магнитные свойства нанотрубок обусловлены квантовой природой переноса заряда. Они могут использоваться для создания так называемых квантовых (молекулярных) проводов. Возможности использования нанотрубок в молекулярной электронике неизмеримо возрастают при переходе от чисто углеродных к химически модифицированным нанотрубкам. Благодаря наличию цилиндрической полости удается внедрить в нее различные элементы. Возможно также добавление атомов на внешнюю поверхность трубки. При этом получаются материалы с новыми свойствами. Кроме углеродных получают и другие типы нанотрубок, в частности бор-азотные. Внедрение металлов в углеродные нанотрубки приводит к резкому возрастанию проводимости как полупроводниковых нанотрубок (за счет появления в запрещенной зоне электронных состояний металла), так и металлических (за счет повышения плотности состояний вблизи уровня Ферми). Путем химической модификации различных участков одной нанотрубки могут быть созданы сложные многофункциональные электронные устройства, подобные интегральным схемам современной микроэлектронной техники.

ПРОВОДИМОСТЬ НАНОТРУБОК. В металлическом состоянии проводимость нанотрубок очень высока. Оценочно они могут пропускать 109 ампер/см 2. А медный провод выходит из строя при 106 ампер/см 2 из-за того, что джоулев нагрев приводит к плавлению провода. Одной из причин высокой проводимости углеродных трубок является малое количество дефектов, вызывающих рассеяние электронов, а следовательно, и очень низкое сопротивление. Поэтому большой ток нагревает трубку гораздо меньше, чем он нагревает медный провод. Этому же способствует высокая теплопроводность нанотрубок. ЯВЛЕНИЕ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ В НАНОМАТЕРИАЛАХ Некоторые свойства квантовых точек, проволок и ям аналогичны свойствам сверхпроводников. Глубина проникновения магнитного поля В в наноматериал LП и длина когерентности ξ сверхпроводников лежат в нанометровой области. У сверхпроводников 1 -го типа магнитное поле не проникает в объем сверхпроводника. При воздействии магнитным полем, большем критического значения, наблюдается обратный переход сверхпроводника в нормальное состояние. Сверхпроводимость возникает при образовании связанных электронных состояний, называемых куперовскими парами. Их размер сравним с длиной когерентности ξ. Куперовские пары, являющиеся носителями сверхпроводящего тока, можно рассматривать как наночастицы.

Для сверхпроводников 2 -го типа существует два критических значения магнитного поля и три области с различным поведением магнитного поля. В малых магнитных полях (B < BКР 1) материал ведет себя как сверхпроводник первого рода. В больших магнитных полях (B > BКР 2) материал возвращается в нормальное состояние. В промежуточных полях (BКР 1 < BКР 2) магнитное поле проникает в материал в виде вихрей магнитного поля. У каждого вихря существует внутренняя часть, радиус которой составляет ξ. Магнитное поле в ней практически постоянно. Во внешней области радиусом L поле падает по мере удаления от центра вихря. Данные LП, ξ и значения критических температур, при которых начинает проявляться явление сверхпроводимости для различных материалов, приведены в следующей таблице, где также указаны типы сверхпроводимости.

ЭФФЕКТ ДЖОЗЕФСОНА Эффект Джозефсона — явление протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника. Такой ток называют джозефсоновским током, а такое соединение сверхпроводников — джозефсоновским контактом. Первоначально Джозефсон предполагал, что толщина диэлектрического слоя много меньше длины сверхпроводящей когерентности, т. е. расстояния, на котором электроны взаимодействуют друг с другом, создавая сверхпроводящее состояние. Длина когерентности для разных сверхпроводников изменяется от 5×*10– 7 до 10– 4 см. Но исследования показали, что эффект сохраняется и на гораздо больших толщинах. Различают стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона. Стационарный эффект При пропускании через контакт тока, величина которого не превышает критическую, падение напряжения на контакте отсутствует (несмотря на наличие слоя диэлектрика). Эффект этот вызван тем, что электроны проводимости проходят через диэлектрик без сопротивления за счёт туннельного эффекта. Туннелирование куперовской пары — специфический когерентный эффект, вероятность которого близка к вероятности туннелирования одиночного электрона. Поэтому максимальная величина тока Джозефсона может достигать величины обычного туннельного тока через контакт при напряжении, соответствующем щели в энергетическом спектре сверхпроводника. Микроскопический механизм туннелирования куперовских пар это отражение квазичастиц, локализованных в потенциальной яме в области контакта. Электрон, налетающий на границу, может превратиться в дырку с той же энергией возбуждения. Так как заряд дырки противоположен заряду электрона, то при отражении заряд, равный удвоенной величине заряда электрона, переносится в сверхпроводник, образуя там куперовскую пару.

Нестационарный эффект При пропускании через контакт тока, величина которого больше критической, на контакте возникает падение напряжения U, и контакт при этом начинает излучать электромагнитные волны. При этом частота такого излучения определяется как ω = 2 e. U/ħ, где е - заряд электрона, ħ - постоянная Планка. Возникновение излучения связано с тем, что объединённые в пары электроны, создающие сверхпроводящий ток, при переходе через контакт приобретают энергию, избыточную по отношению к энергии основного состояния сверхпроводника - 2 e. U. Единственная возможность для пары электронов вернуться в основное состояние это излучить квант электромагнитной энергии ħω=2 e. U. Применение эффекта Используя нестационарный эффект Джозефсона, можно измерять напряжение с очень высокой точностью. Эффект Джозефсона используется в сверхпроводящих интерферометрах (сквидах – Superconducting Quantum Interference Device), содержащих два параллельных контакта Джозефсона. При этом сверхпроводящие токи, проходящие через контакт, могут интерферировать. Оказывается, что критический ток для такого соединения чрезвычайно сильно зависит от внешнего магнитного поля, что позволяет использовать устройство для очень точного измерения магнитных полей.

Если в переходе Джозефсона поддерживать постоянное напряжение, то в нём возникнут высокочастотные колебания. Этот эффект, называемый джозефсоновской генерацией. Возможен, конечно, и обратный процесс — джозефсоновское поглощение. Таким образом, джозефсоновский контакт можно использовать как генератор электромагнитных волн или как приёмник. Эти генераторы и приёмники могут работать в диапазонах частот, недостижимых другими методами. В длинном джозефсоновском переходе вдоль перехода может двигаться солитон (Джозефсоновский вихрь), перенося квант магнитного потока. Существуют и многосолитонные состояния, переносящие целое число квантов потока. Если изолирующий слой сделать неоднородным, то солитоны будут «цепляться» за неоднородности, и, чтобы сдвинуть их, придётся приложить достаточно большое внешнее напряжение. Таким образом, солитоны можно накапливать и пересылать вдоль перехода. Естественно было бы попытаться использовать их для записи и передачи информации в системе большого числа связанных между собой длинных Джозефсоновских переходов (квантовый компьютер). В конце 80 -х годов в Японии был создан экспериментальный процессор на эффекте Джозефсона. Хотя 4 -разрядное арифметико-логическое устройство делало его неприменимым на практике, данное научное исследование было серьёзным экспериментом, открывающим перспективы на будущее.

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОЧАСТИЦ Особенностью наночастиц полупроводниковых материалов является резко выраженное отличие их оптических свойств от свойств объемного материала. Оптические спектры поглощения существенно сдвигаются в голубую сторону (сторону уменьшения длины волн) при уменьшении размеров частиц. Связанная электрон-дырочная пара, называемая экситоном, в объемном полупроводнике может образоваться под действием фотона с энергией больше ширины щели данного вещества. Щель — это интервал энергий между верхним заполненным энергетическим уровнем валентной зоны и ближайшим над ним незаполненным уровнем проводимости. Фотон возбуждает электрон, и он переходит из заполненной зоны в вышележащую, незаполненную. В результате образуется дырка в ранее заполненной валентной зоне, что соответствует электрону с положительным эффективным зарядом. Из-за кулоновского притяжения между положительной дыркой и отрицательным электроном образуется связанная пара, которая может перемещаться по кристаллу. Электрон и дырка находятся на расстоянии многих параметров решетки. Присутствие экситонов оказывает сильное влияние на электронные свойства полупроводников и их оптическое поглощение.

При уменьшении масштабов наночастиц до размеров, меньших или сравнимых с радиусом электронно-дырочной пары, возможны две ситуации, называемые режимом слабой и сильной локализации. В режиме слабой локализации радиус частиц больше радиуса экситона, но область перемещения экситона ограничена. Это приводит к смещению спектра поглощения в голубую сторону. Когда радиус частицы меньше радиуса орбиты электронной дырочной пары, движения электрона и дырки становятся независимыми, и экситон перестает существовать. Электрон и дырка имеют собственные наборы энергетических уровней. Это также приводит к голубому смещению и к появлению нового набора линий поглощения. Спектр оптического поглощения наночастиц Cd. Se размером 2 и 4 нм показан на рисунке. Видно, что наименьшая энергия поглощения, называемая границей поглощения, сдвигается в сторону больших энергий при уменьшении размеров наночастицы. Так как граница поглощения возникает из-за наличия щели, это означает, что щель увеличивается с уменьшением частицы. Интенсивность поглощения возрастает при уменьшении размеров наночастицы. Пики на больших энергиях связаны с экситонами, и они сдвигаются в голубую сторону при уменьшении размеров частицы. По существу, при уменьшении размеров частицы электрон и дырка приближаются друг к другу, что ведет к изменению расстояний между энергетическими уровнями.

Рекомбинация генерированных светом зарядов приводит к люминесценции наночастиц. Излучение спектров люминесценции наночастиц Zn. O, Zn. S, Cd. Se также обнаружило голубое смещение, т. е. сдвиг спектров в коротковолновую область при уменьшении размера частиц. При заданном размере наночастицы время затухания люминесценции зависит от длины волны. Оно тем меньше, чем больше энергия и меньше длина волны испускаемого кванта света. Зависимость времени жизни возбужденного состояния от длины волны люминесценции обусловлена вкладом кулоновского взаимодействия электрона и дырки в энергию излучаемого светового кванта. где Emin — минимальная энергия возбуждения люминесценции наночастицы радиуса r; DД, DЭ — глубины ловушек дырки и электрона; r. ЭД — расстояние между электроном и дыркой. Электрон-дырочные пары с малыми расстояниями r. ЭД при туннельной рекомбинации дырок и электронов излучают свет быстрее и с меньшей длиной волны, чем пары c большими r. ЭД. Нанокластеры или квантовые точки позволяют создавать лазерные устройства с регулируемой длиной волны за счет размера нанокластера. Как известно, в массивном твердом теле со свойствами полупроводника электроны могут находиться на энергетических уровнях, образующих зоны.

Возбуждение электрона за счет наложения или светового воздействия может перенести электрон с нижней по энергии валентной зоны через запрещенную зону в зону проводимости. Такой перенос должен сопровождаться возникновением дырки в валентной зоне. Через некоторое время, определяемое временем люминесценции, возбужденный электрон может упасть в соответствующую дырку, выделяя энергию, равную разности энергий между зоной проводимости и валентной зоной. Эта энергия может выделиться радиационным способом в виде фотона или нерадиационным — например, за счет взаимодействия с фононами в твердом теле. Для массивного твердого тела эта энергия неизменна, в случае же нанокластера она может изменяться. Это дает возможность создания лазера с различной цветовой гаммой излучения. Кроме того, в нанокластере из-за квантового ограничения энергия концентрируется на малом числе уровней и, соответственно, на малом числе переходов. Таким образом, за счет рекомбинации дырки и электрона высвобождается большая энергия. Для создания лазера, использующего для генерации излучения нанокластеры (квантовые точки), необходимы упорядоченные наноструктуры, включающие кластеры одного размера, окруженные полупроводниковыми твердыми растворами, которые могут инициировать заселение электронами высших энергетических состояний, инжектируя электроны и дырки в нанокластеры. Переход нанокластеров в низшее энергетическое состояние должен приводить к генерации фотонов с одинаковой длиной волны, которые фокусируются в когерентный лазерный пучок света.

ЭФФЕКТ РЕЗОНАНСНОГО ТУННЕЛИРОВАНИЯ ЗАРЯДОВ. Уникальным свойством квантовых частиц, в том числе и электронов, является их способность проникать через преграду даже в случаях, когда их энергия ниже потенциального барьера, соответствующего данной преграде. Это было названо туннелированием. Схематически оно представлено на следующем рисунке. Будь электрон классической частицей, обладающей энергией E, он, встретив на своем пути преграду, требующую для преодоления большей энергии U, должен был бы отразиться от нее. Однако, в качестве волны он , хотя и с потерей энергии, но проходит через эту преграду. Соответствующая волновая функция, а через нее и вероятность туннелирования, рассчитываются из уравнения Шредингера - [(hbar)2 / 2 m*] • [d 2Ψ / d 2 x 2] Эта вероятность тем выше, чем геометрически тоньше барьер и меньше разница между энергией падающего электрона и высотой барьера. Квантовое ограничение в наноразмерных структурах накладывает специфический отпечаток и на туннелирование.

Квантование энергетических состояний электронов в очень тонких, периодически расположенных потенциальных ямах приобретает резонансный характер. Лишь электроны с определенной энергией могут туннельно просочиться через такую структуру. Структура состоит из двух барьеров, разделенных областью с малой потенциальной энергией. Область между барьерами — это как бы потенциальная яма, в которой есть один или несколько дискретных уровней. Характерная ширина барьеров и расстояние между ними составляют несколько нанометров. Области слева и справа от двойного барьера играют роль резервуаров электронов проводимости, к которым примыкают контакты. Электроны занимают здесь довольно узкий энергетический интервал. В приборе с двойным барьером туннельная прозрачность имеет резонансный характер. Если прозрачность каждого барьера мала, это не означает, что одновременно будет мала и вероятность туннелирования через двойной барьер. Когда энергия электронов, налетающих на барьеры, равна энергии дискретного уровня, туннельная прозрачность резко возрастает. Электрон, проникший в область между барьерами, надолго задерживается там. В результате многократного отражения от левого и правого барьеров вероятность туннелирования электрона существенно возрастает. При резонансе из-за интерференции волн во внутренней области гасится волна, отражающаяся от двойного барьера. Следовательно, волна, упавшая слева, полностью проходит направо.

Резонансный туннельный диод. Ток, протекающий через двойной барьер, зависит от величины приложенного напряжения. Потенциал в приборе падает главным образом в области двойного барьера, так как области слева и справа от него обладают высокой проводимостью. Если приложенное напряжение мало и энергия электронов, налетающих на барьер слева, меньше энергии дискретного уровня, то прозрачность барьера и, следовательно, протекающий ток будут малы. Ток достигает максимального значения при таких напряжениях, когда энергия электронов равна энергии дискретного уровня. При более высоких напряжениях энергия налетающих электронов станет больше энергии дискретного уровня и туннельная прозрачность барьера уменьшится. При этом ток также уменьшится. На вольтамперной характеристике есть максимум. Если в области между барьерами не один, а несколько дискретных уровней, то и максимумов будет несколько. Справа от максимума кривая I(U) имеет падающий участок, где ток убывает с ростом напряжения, т. е. на вольтамперной характеристике есть участок отрицательного дифференциального сопротивления. Из-за этого резонансный диод может использоваться в генераторах. Если к центральной области резонансного диода подвести контакт, через который можно управлять положением дискретного уровня, получится новый прибор — транзистор.

МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЫСОКОЙ ПОДВИЖНОСТИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА Наличие потенциальной ямы очень малых размеров, сформированной в гетеропереходах структуры Al. Ga. As–Ga. As, может приводить к квантованию уровней энергии, соответствующих движению электронов в направлении, перпендикулярном поверхности раздела. Движение электронов в плоскости, параллельной поверхности раздела, практически не отличается от движения свободных частиц. Подвижность электронов в этой плоскости может быть очень высокой, поскольку возникающие в слое Al. Ga. As электроны поступают в нелегированный слой Ga. As, где отсутствует рассеяние на примесных атомах, Под воздействием электрического поля электроны могут свободно двигаться параллельно поверхности раздела. На этом принципе созданы полевые транзисторы с высокой подвижностью носителей (НЕМТ- High Electron Mobility Transistor), которые иногда называют полевыми транзисторами с модулированным легированием (MODFET- Modulated Doping Field Effect Transistor), так как в них используются модулированно-легированные гетеропереходы. Их действие основано на возможности регулирования движения электронов вдоль канала воздействием электрического поля. Модулированно-легированные полевые транзисторы (MODFET) - это приборы, использующие квантовое поведение электронов, локализованных в нанометровых потенциальных ямах с размерами меньше длины волны де Бройля. Полевые транзисторы на гетероструктурах имеют слоистую структуру, позволяющую создавать двумерный электронный газ с высокой подвижностью.

Cтруктура MODFET, или НЕМТ, очень похожа на полевые МОП-транзисторы, у которых потенциальная яма для электронного канала также располагалась на поверхности раздела структуры Si–Si. O 2. 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 IСО от напряжения на затворе UЗ имеет вид: где UЗИ ПОР — величина порогового напряжения. Вольтамперные характеристики MODFET очень похожи на характеристики полевых МОП-транзисторов. Скорость переключения и частотные характеристики таких транзисторов могут быть повышены за счет уменьшения времени пролета электронов tr. Для этого нужно максимально сократить длину затвора L (которая обычно составляет около 100 нм) и увеличить ширину затвора. Это позволяет повысить крутизну переходной характеристики транзистора. Для получения высокой крутизной полевых транзисторов с барьером Шоттки необходимо использовать высоколегированные материалы (с уровнем легирования порядка (1018. . . 1019) см– 3). Но это ограничивает дрейфовую скорость электронов из-за рассеяния на большом числе примесных атомов.

Использование структур MODFET позволяет улучшить частотные характеристики приборов, так как в таких структурах транспорт носителей осуществляется в нелегированном слое (Ga. As). В настоящее время MODFET способны работать в диапазоне частот от микроволновых до частот около 100 ГГц. В новейших гетероструктурах систем Al. Ga. As–In. Ga. As–Ga. As более эффективна квантовая локализация электронов в ямах, чем в гетеропереходах на основе Al. Ga. As–Ga. As. Электроны двигаются в слое In. Ga. As с более высокой дрейфовой скоростью насыщения, чем в Ga. As. Крутизна такого транзистора достигает значений 100 м. С/мм, частота отсечки составляет около 100 ГГц, а уровень шумов составляет лишь 2 д. В. Такие высокие характеристики достигаются за счет уменьшения расстояния «затвор — канал» (из-за более резких барьеров) и снижения паразитных емкостей системы. По всем этим причинам MODFET превосходят другие приборы при усилении сигналов в микроволновом диапазоне вплоть до частот 300 ГГц, т. е. примерно в 6 раз превышают по быстродействию лучшие из транзисторов, изготовленных на основе МОП-технологий при заданном уровне литографического разрешения.

ПРИБОРЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ «ГОРЯЧИЕ» ЭЛЕКТРОНЫ 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 Te, воспользовавшись простым соотношением Еk = (3/2)k. Te, связывающим температуру со средней кинетической энергией электронов. Для двумерного электронного газа численный коэффициент в этом выражении должен равняться единице. В полупроводнике при тепловом равновесии электронная температура Te должна совпадать с температурой кристалла T. Но в неравновесных системах (например, во внешних полях, способных ускорять электроны до очень высоких энергий) кинетическая энергия электронов может быть очень высокой, а следовательно, электронная температура Te 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 ΔЕС зоны проводимости при переходе от полупроводника с широкой зоной к полупроводнику с узкой зоной.

В частном случае гетеропереходов в системах Al. Ga. As–Ga. As величина ΔЕС варьируется в диапазоне от 0, 2 до 0, 3 э. В, что примерно в десять раз выше значения k. T — 0, 026 э. В при комнатных температурах, и соответствует скорости носителей порядка 108 см/с и выше. Пересекающий область перехода пучок электронов ускоряется под действием электрического поля и направляется по прямой линии в направлении, перпендикулярном поверхности раздела. Этот эффект инжекции электронов из гетероперехода приводит к тому, что пучок электронов на выходе концентрируется в конусе с угловой апертурой около 10°. Один из методов отбора наиболее высокоэнергетических электронов из заданного распределения состоит в организации процесса пересечения ими потенциального барьера. Только электроны с наибольшей энергией смогут преодолевать достаточно широкий барьер по механизму, подобному эффекту испускания ионов сильно нагретыми телами. 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.

Уменьшить время пролета «горячих» электронов можно уменьшением размеров транзисторов. Это достигается уменьшением толщины областей пространственного заряда путем повышения уровня легирования полупроводника. Но при этом может происходить диффузия атомов легирующих примесей, что приведет к образованию сложных химических соединений и к изменению химического состава материалов. Для решения этой проблемы можно 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 (Metal Base Transistor - МВТ). Базовая область в них сформирована из материалов типа силицида кобальта Co. Si 2. Он обладает очень высокой проводимостью, сравнимой с проводимости металлов. Его химический состав совместим с уже существующей кремниевой технологией. В отличие от биполярных транзисторов, имеющих низкую подвижность дырок, преимуществом МВТ является то, что они являются униполярными приборами и могут работать при более высоких частотах.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭФФЕКТА БАЛЛИСТИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА Эффект баллистического транспортирования носителей заряда состоит в преломлении направления движения баллистически (без столкновений с атомами полупроводника) движущихся электронов на границе раздела двух областей двумерного электронного газа с различной концентрацией носителей заряда. Двумерный электронный газ, сформированный в Ga. As квантовой яме, обладает высокой подвижностью при низкой температуре и соответственно большей, чем в других материалах, длиной свободного пробега. Кроме гетероструктуры Ga. As/Al. Ga. As можно использовать углеродные нанотрубки, где благодаря отсутствию обратного рассеяния длина свободного пробега электронов увеличивается до линейного размера трубки. Вместо полного запирания затвором потока множества медленных электронов, как это делается в обычных полевых транзисторах, в баллистических транзисторах применяется изменение направления ускоряющихся быстрых одиночных электронов электромагнитными силами, требующее значительно меньшую мощность управления. С помощью металлических затворов специальной формы можно создавать такие потенциальные профили в плоскости двумерного электронного газа, которые будут играть роль «линз» или «призм» для баллистических электронов. Открывается возможность конструирования электронных приборов, подобных оптическим устройствам. На следующем рисунке схематически представлен пример такой конструкции.

Коммутатор пучка электронов Это коммутатор пучка электронов, инжектируемых в его рабочую область эмиттером, между тремя коллекторами (1. . . 3). Размеры активной области прибора меньше длины свободного пробега электронов в двумерном электронном газе, расположенном в плоскости рисунка. Электроны пролетают расстояние между эмиттером и коллекторами без столкновений — баллистически. Коммутация осуществляется с помощью затвора треугольной формы, помещенного между эмиттером и коллекторами. При подаче на затвор положительного напряжения концентрация электронов под ним из-за эффекта Шоттки будет больше, чем в свободном электроном газе. Эта область будет играть роль «оптической» призмы для пучка инжектированных электронов.

Для работы такого прибора необходимо иметь пучок инжектированных электронов, двигающихся параллельно. Данную задачу выполняет эмиттер - квантовый точечный контакт специальной формы. На оба затвора контакта подается отрицательный потенциал. Под ними образуется область обеднения. Узкое пространство между затворами образует квантовый точечный контакт, имеющий форму рупора. Такой контакт способен сводить в параллельный поток в пучок электронов. Это явление известно в микроволновой технике, где плавно сужающийся рупор может быть использован для сведения в параллельный поток (коллимирования) микроволнового луча. На правом рисунке видно, что, электрон, попадающий в рупор под достаточно большим углом к его оси, покидает его с траекторией, близкой к оси рупора.

Коллимация осуществляется за счет многократных отражений от стенок рупора. Коллекторы рассматриваемого прибора тоже представляют собой квантовые точечные контакты такой же формы - своего рода приемные рупорные «антенны» . При нулевом напряжении на затворе электронной призмы не существует. Пучок электронов, не отклоняясь, попадает в первый коллектор. . Как только к затвору будет приложен положительный потенциал, проявится эффект преломления направления движения электронов при пересечении ими области двумерного электронного газа с большей концентрацией носителей под затвором. При некотором напряжении на затворе ток будет максимальным во втором коллекторе, а при его увеличении - в третьем. Таким образом, подавая соответствующее напряжение на затвор, можно направлять пучок электронов в любой из трех коллекторов. Такой прибор заменяет собой несколько обычных транзисторов, которые пришлось бы использовать для построения подобного коммутатора. Поскольку электроны пересекают рабочую область коммутатора без столкновений, можно с помощью одного затвора коммутировать одновременно два или более электронных пучка. Достаточно добавить соответствующее число эмиттеров и коллекторов. Электронные пучки не будут взаимодействовать друг с другом. Такой прибор является ярким примером построения новых приборов с расширенными функциональными возможностями на основе квантово-размерных структур.