НАНОДИОДЫ И НАНОТРАНЗИСТОРЫ С РЕЗОНАНСНЫМ ТУННЕЛИРОВАНИЕМ НАНОДИОДЫ С

НАНОДИОДЫ И НАНОТРАНЗИСТОРЫ С РЕЗОНАНСНЫМ ТУННЕЛИРОВАНИЕМ НАНОДИОДЫ С РЕЗОНАНСНЫМ ТУННЕЛИРОВАНИЕМ Нанодиод с резонансным туннелированием содержит области эмиттера и коллектора, а также квантовую яму. Узкая квантовая яма (шириной 5. . . 10 нм) образуется между двумя гетеропереходами, разделенными областью Ga. As. В ней может содержаться только один так называемый резонансный энергетический уровень. Принцип действия диода основан на том, что электроны могут перемещаться от эмиттера к коллектору только после того, как их энергия повысится до резонансного уровня. При малом напряжении, приложенном к диоду, рабочая точка находится в положении А, указанном на ВАХ, приведенной на рисунке (а). В этом случае диаграмма энергетических уровней имеет вид, представленный на рисунке (б). Очевидно, что энергия электронов ниже резонансного уровня и ток через диод не протекает.

С ростом напряжения линия потенциальной энергии в области эмиттера поднимается, а в области коллектора — опускается. В результате энергетическая зона электронов в эмиттере выходит на резонансный уровень энергии и начинается свободное туннелирование – свободное перемещение электронов от эмиттера к коллектору. Когда с ростом напряжения энергия электронов становится выше резонансной, туннелирование прекращается, и ток резко падает (участок ВС). При дальнейшем росте напряжения все больше электронов имеют энергию, достаточную для прохождения над барьером туннелирования, и поэтому ток снова нарастает. Из рассмотрения ВАХ видно, что резонансный туннельный диод имеет вид, очень похожий на ВАХ традиционного туннельного диода. Участок ВС соответствует участку с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Отличие состоит в том, что резонансный нанодиод имеет значительно меньшую емкость, что обеспечивает лучшие частотные свойства и лучшие показатели быстродействия. Вид ВАХ можно изменять путем соответствующего подбора материалов, обеспечивающих потенциальные барьеры.

Когда электроны заключены в области пространства, по размерам сравнимые с длиной волны электрона и ограниченные потенциальными барьерами, появляются два взаимосвязанных эффекта. Первый из них — размерное квантование; второй — резонанс, который наступает при определенных условиях размерного квантования. Электронные волны отражаются от стенок квантовой потенциальной ямы. Если энергетические уровни электронов по обе стороны барьеров совпадают по энергии, то речь идет о резонансе электронных волн. В этом случае наблюдается резкое возрастание туннельного тока. Размерное квантование и резонанс являются следствием явления интерференции волн, бегущих в прямом и обратном направлениях. В таких приборах в определенном интервале напряжений ток уменьшается с увеличением напряжения. Это объясняется тем, что при определенном напряжении, которое называется резонансным, средняя энергия электронов в материале n-типа смещается и совпадает с одним из квантовых уровней в потенциальной яме. При изменении напряжения некоторые энергетические состояния, занятые электронами в легированном арсениде галлия, оказываются между квантовыми уровнями в яме.

При резонансном напряжении электроны туннелируют по стрелкам через энергетический барьер в квантовую яму. Туннелирование не происходит, если в потенциальной яме нет совпадающих по энергии уровней. N-образной ВАХ обладают и диодные (р+–n+)-структуры с межзонным туннелированием носителей заряда. На основе эффекта резонансного туннелирования созданы туннельно-резонансные структуры (ТРС), которые применяются в полупроводниковой электронике и оптоэлектронике. Основными приборами на ТРС стали диоды и их различные комбинации. В туннельно-резонансной структуре можно создать одну или несколько квантовых ям. Можно обеспечить механизм резонансного переноса электронов в сильном электрическом поле. Это позволяет электронам набрать значительную энергию по отношению ко дну зоны проводимости узкозонного материала и получить на выходе туннельно-резонансной структуры моноэнергетический пучок «горячих» электронов.

НАНОДИОДЫ И НАНОТРАНЗИСТОРЫ НА ОСНОВЕ НАНОТРУБОК НАНОДИОДЫ На основе нанотрубок можно создавать выпрямляющие диоды. Если в цилиндрическую неизогнутую нанотрубку внести дефекты или заменить хотя бы один из повторяющихся углеродных шестиугольников на семиугольник или пятиугольник, то нанотрубка изогнется, как показано на следующем рисунке (а). С разных сторон относительно изгиба ориентация углеродных шестиугольников различна. С изменением ориентации шестиугольников по отношению к оси нанотрубки меняется ширина энергетической щели и меняется положение уровня Ферми. В случае, соответствующем рисунку, слева относительно изгиба нанотрубка обладает металлическими свойствами, а справа - полупроводниковыми. Данная нанотрубка представляет собой гетеропереход «металл - полупроводник» .

Рассматривая левую и правую части нанотрубки изолированно, обнаруживаем, что с разных сторон относительно изгиба электроны уровня Ферми обладают разной энергией. В единой системе разница в энергиях приводит к перемещению заряда и образованию потенциального барьера. Электрический ток в таком переходе течет, если электроны перемещаются из области нанотрубки с большей энергией Ферми в область с меньшей энергией. Это объясняет одностороннее протекание тока. Таким образом, изогнутая нанотрубка выполняет функцию выпрямляющего диода. Вольтамперная характеристика диода изображена на рисунке (б).

ТРАНЗИСТОРЫ НА ОСНОВЕ НАНОТРУБОК Принцип действия полевого транзистора на основе металлической нанотрубки можно пояснить с помощью следующего рисунка. Прибор использует эффект туннельного пробоя электронов через нанотрубку по отдельным молекулярным орбиталям. Молекулярные орбитали - дискретные энергетические состояния отдельных электронов в молекуле с их самосогласованным движением в поле друга и всех ядер молекулы. Молекула рассматривается как целое, а не как совокупность сохранивших индивидуальность атомов. В отличие от метода валентных связей, считается, что каждый электрон находится в поле всех ядер, а связь не обязательно образована парой электронов. Из-за ограниченной длины нанотрубки ее электронный спектр является дискретным. Расстояние между отдельными уровнями примерно 1 мэ. В при длине нанотрубки 1 мкм. Такой характер расщепления уровней не сказывается на электропроводности нанотрубки при комнатной температуре, но полностью определяет ее свойства при Т ниже 1°К. Проводимость металлической нанотрубки обусловлена тем, что электроны пересекают (туннелируют) с верхнего заполненного уровня катода на проводящий дискретный уровень нанотрубки, а затем с нанотрубки — на нижний, незаполненный. На основе полупроводниковых и металлических нанотрубок возможно создание полевых транзисторов, работающих как при комнатной, так и при сверхнизкой температурах.

Устройство полевого транзистора на основе полупроводниковой нанотрубки: Нанотрубка расположена на непроводящей подложке и имеет контакты со сверхтонкими платиновыми проводами. В качестве затвора используется кремниевый слой. Электрическое поле управляет концентрацией носителей в зонах делокализованных состояний. В полупроводниковой нанотрубке состояния валентной зоны отделены от состояний зоны проводимости энергетической щелью - запрещенной зоной. Ее наличие обеспечивает малую концентрацию носителей в зонах, и нанотрубка обладает малой проводимостью. График на рисунке (б) иллюстрирует зависимости проводимости трубки G от напряжения затвора UЗ.

При подаче на затвор напряжения UЗ в области нанотрубки возникает электрическое поле, и изгиб энергетических зон изменяется. Концентрация дырок в валентной зоне и, соответственно, электропроводность возрастают по экспоненциальному закону. При напряжении около (– 6 В) концентрация дырок и проводимость достигают максимального значения. При этом нанотрубка становится металлической. В пределах нанотрубки туннелирование электрона происходит практически без рассеяния и без потерь энергии за счет π-электронных состояний, делокализованных на всю длину нанотрубки. По аналогии с атомными s-, p-, d-, f- орбиталями молекулярные орбитали обозначают греческими буквами σ-, π-, δ-, γ-. Молекулярные орбитали образуются при комбинировании атомных орбиталей при достаточном сближении. Включение внешнего электрического поля при подаче электрического потенциала на третий электрод смещает электронный уровень нанотрубки, и ее проводимость уменьшается (рисунок (в)).

На рисунке (г) приведен перспективный вариант выполнения полевого транзистора на основе углеродной нанотрубки. Здесь она соединяет два золотых электрода. При приложении небольшого напряжения к затвору, которым является кремниевая подложка, по нанотрубке между истоком и стоком течет ток. Элемент находится в состоянии «Включено» . Если напряжение к затвору не прикладывается, транзистор находится в состоянии «Выключено» . Отношение сопротивления в выключенном состоянии к сопротивлению во включенном состоянии превышает 106, что сравнимо со значениями для кремниевых полевых транзисторов. Время переключения такого прибора очень мало, а возможная частота переключения может составлять 1012 Гц, что на три порядка больше, чем в существующих транзисторах современных компьютеров. Золотые исток и сток можно сформировать методами нанолитографии. Диаметр соединяющей их нанотрубки составляет порядка 1 нм. Столь малые размеры позволяют разместить на чипе огромное количество переключателей, одновременно решая проблему тонких проводников для межсоединений.

При уменьшении поперечного сечения, например медного проводника, увеличивается его сопротивление, а следовательно, и выделяющееся при протекании тока тепло. Нагрев может достичь таких значений, при которых возникает опасность плавления или испарения проводников. Однако углеродные нанотрубки диаметром 2 нм имеют чрезвычайно низкое сопротивление, что позволяет пропускать по ним большие токи без существенного нагрева. Это делает их пригодными для использования в качестве соединительных проводов. Высокая теплопроводность нанотрубок позволяет их применять для быстрого отвода избыточного тепла с чипа.

Другим вариантом является транзистор , структура которого приведена на рисунке (а). Транзистор реализован на Y-образной углеродной нанотрубке. Экспериментальные транзисторы выращиваются в несколько этапов. На первом этапе готовится прямая нанотрубка. В рабочий раствор с прямой углеродной нанотрубкой добавляется железо-титановый катализатор, частицы которого вызвали рост одной дополнительной «ветки» у каждой нанотрубки. Частицы катализатора поглощаются нанотрубкой, и она приобретает правильную Y-образную форму. При закреплении частички катализатора на стенке нанотрубки, она становится фундаментом для роста новых нанотрубок. Производство нанотрубок химическим способом существенно дешевле современных технологий производства кремниевых микросхем. Если такую Y-нанотрубку подключить к источнику электрического тока, то электроны, поступающие в одну из ее ветвей, пройдут по ветке, перепрыгнут через частицу катализатора и выйдут через другую ветвь. Перемещением электронов через Y-нанотрубку можно управлять с достаточной степенью точности, прикладывая определенный уровень напряжения к ее «стволу» .

Положительный заряд может усиливать поток электронов через Y-нанотрубку, кодирующий логическую « 1» , а отрицательный заряд останавливает этот поток, кодируя логический « 0» . Управляя каталитическим процессом, можно создавать транзисторы из нанотрубок с заданными заранее свойствами — например, напряжением переключения. Путем прецизионного позиционирования углеродных нанотрубок можно управлять их ростом и создавать объемные интегральные схемы, в отличие от планарных, получаемых по кремниевой технологии. Сеть разветвленных нанотрубок сможет заменить электронный чип компьютерного микропроцессора. Рис. (б).