НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ ТРАНЗИТОРЫ В последнее время появилось

НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ ТРАНЗИТОРЫ • • В последнее время появилось много типов наноэлектронных транзисторов. Некоторые из них перечислены ниже: транзисторы с повышенной подвижностью носителей HEMT (High Electron Mobility Transistor); полевые транзисторы с отрицательным сопротивлением на горячих электронах (ПТОС, Negative Resistance Field-EFFect Transistor); одноэлектронные транзисторы с туннельно-прозрачными барьерами MTF (Multi-Tunnel Functions); транзисторы, выполненные по технологии «кремний на изоляторе» , в частности на сапфире (КНИ, КНС), (Ultrathin Body-UTB); транзисторы с затвором в виде рыбьих плавников Fin. FET; терагерцовые транзисторы (Tera-Hertz); транзисторы с тройным затвором (Tri-Gate Transistor); гетеротранзисторы (на основе полупроводников с различной шириной запрещенных зон) MOD FET; • транзисторы с затвором Шоттки (MES FET); • одноэлектронные транзисторы (Single-Electron Transistor — SET). Их базовыми элементами являются полевые транзисторы и другие структуры, использующие полевой эффект.

Полевые транзисторы (Field. Effect Transistor или FET-транзисторы) характеризуются максимальной удельной крутизной ВАХ Smax и предельной частотой f. T: где IC — ток стока; U 3 И — напряжение «затвор — исток» ; СЗИ, ССЗ — соответственно емкости «затвор — исток» и «сток — затвор» . При уменьшении длины канала и снижении сопротивлений пассивных областей стока r. С и истока r. И эти параметры улучшаются. Предельные значения Smax и f. T пропорциональны предельной дрейфовой скорости VДР и подвижности носителей в канале μ. Подвижность электронов в гетероструктурах достигает 3500 см 2/В • с, что в несколько раз выше, чем у кремния. Поэтому полупроводниковые соединения А 3 В 5 и гетероструктуры на их основе предпочтительней кремниевых транзисторов. На следующем рисунке приведена эквивалентная схема наноэлектронного МОП-транзистора.

Перед разработчиками стоят следующие задачи: 1. минимизация индуктивностей выводов LЗ, LC, LИ; 2. минимизация влияния подложки (элементов СЗП, r. ЗП, СИП, r. ИП, ССП, r. CП), 3. минимизация междуэлектродных емкостей CЗС, ССИ, СЗИ, 4. минимизация немодулированных сопротивлений каналов r. И, r. С 5. минимизация сопротивления в цепи затвора r. З. 6. максимализация параметра Y 21 (крутизны S) с целью улучшения усилительных и ключевых свойств полевых транзисторов.

НАНОТРАНЗИСТОРЫ НА ОСНОВЕ СТРУКТУР КРЕМНИЯ НА САПФИРЕ Для уменьшения длины канала МОП-транзисторов без смыкания областей стока и истока требуется сильное легирование каналов. Такое легирование ведет к росту порога включения транзистора UПОР и уменьшению тока насыщения за счет снижения подвижности носителей зарядов с ростом концентрации примеси. Поиск отличных от объемного кремния материалов и конструкций ПТ выявил перспективность структур типа КНИ (кремний на изоляторе –Si on isolator). В КНИ-транзисторах используется тонкий (100. . . 400 нм) и ультратонкий (5. . . 10 нм) слой кремния. Фирма «AMD» разработала высококачественные тонкопленочные КНИ МОП-транзисторы с затвором длиной 25 нм и током насыщения 790 мк. А/мкм. Разработчики фирмы IBM создали КНИ МОП-транзисторы с длиной затвора 6 нм при толщине слоя кремния 4 нм. Но из-за сильного легирования канала ток насыщения в транзисторе составляет 130 мк. А/мкм, что недостаточно для современных ИМС.

Основными достоинствами КНИ-транзисторов являются: 1. низкое энергопотребление, 2. высокое пробивное напряжение, 3. высокое быстродействие. Разработка новых наноэлектронных КНИ-транзисторов с высоким быстродействием и высокой плотностью упаковки возможна при создании в них максимально коротких каналов и при изготовлении приборов, работающих на квантоворазмерных эффектах. Для получения низкой рассеиваемой мощности ИМС транзисторы должны иметь токи утечки в закрытом состоянии не более 10– 9 А. Чтобы создать короткий канал, используют технологию изготовления транзисторов, где затвор выступает еще и маской при имплантации стоков и истоков. В качестве затворов используют легированный до металлического состояния поликремний толщиной не менее 200 нм.

Затвор n-канальных транзисторов легируют фосфором (Р). Чтобы не закоротить сток и базу, области стока и истока должны достигать скрытого оксида. В короткоканальном транзисторе поле вблизи стока велико. Электроны, ускоряясь в области сильного поля, могут повредить подзатворный оксид. Ослабить это поле можно слабым легированием стокового p–n - перехода возле затвора.

Токи насыщения транзисторов при UС = 1, 5 В и UЗ = 1, 5 В составляют 220 мк. А/мкм для n-канального и 90 мк. А/мкм для p-канального транзисторов. Токи утечки — не более 5 • 10– 9 А. Длина каналов ~ 100 нм, ширина затвора 5 мкм. При интеграции 100 млн транзисторов на кристалле общий ток ИМС в ждущем режиме не превышает 5 А, что вполне допустимо. Для подавления короткоканальных эффектов в n- и p-канальных КНИ МОП-транзисторах требуются напряжения различной полярности и использование подложки в качестве управляющего электрода, что не оптимально для ИС. Более перспективна конструкция КНИ МОП-транзисторов с двойным затвором, когда затворы расположены по обеим сторонам и в плоскости канала, и конструкции, где пластинчатое тело транзистора лежит не в горизонтальной плоскости на изоляторе, а как бы поставлено на ребро – так называемый двухзатворный плавниковый транзистор (Fin-FET). Перспективны конструкции, в которых затвор опоясывает канал с трех сторон. В таких транзисторах инверсионные каналы образуются под затвором с трех сторон, что позволяет увеличить площадь протекания тока при той же занимаемой площади прибора. При размерах транзистора ~ 30 нм, выполненного по традиционной технологии, тепловыделение становится неприемлемо большим. Трехмерная технология позволяет значительно снизить потери на тепловыделение.

Различные конструкции транзисторов КНИ представлены на следующем рисунке: Вариантом, альтернативным наноэлектроному МОП-трнзистору, является высоколегированная нанопроволочка, играющая роль канала, проводимость которой управляется затвором. Устраняется эффект смыкания, т. к. нанопроволочка легирована однородно. Основной проблемой является наличие последовательных сопротивлений областей истока и стока.

В транзисторе с одним сторонним затвором для обеспечения достаточной проводимости канала (500 мк. А/мкм) необходим высокий уровень легирования отсеченного слоя кремния. Это накладывает ограничения на ширину канала кремниевой нанопроволочки B и на ширину зазора между каналом и сторонним затвором d. Значение d ограничено приемлемым значением порогового напряжения (< 1 В). При использовании в качестве подзатворного диэлектрика Si. O 2 и при концентрации N = 2 • 1020 см– 3 значение B ≤ 5 нм, а значение d = 1, 5 нм. Столь малое и трудно реализуемое значение d, которое определяется шириной электронного луча, можно увеличить выбором диэлектрика с более высокой диэлектрической проницаемостью. Лучшие показатели плотности тока обеспечивают транзисторы с двумя и более затворами (рис. б–г). В роли дополнительного затвора КНИ-транзистора можно использовать подложку (рис. г, д). Изготовление двухзатворных конструкций с дополнительным затвором, распложенным между скрытым оксидом и отсеченным слоем кремния, технологически сложно. Более перспективным является «вертикальный» вариант конструкции транзистора с двойным затвором «Fin-FET» (рис. г). При этом канал индуцируется напряжением на затворах (Fin-плавниках) вдоль обеих сторон такой пластины.

Затворы имеются не только по бокам, но и сверху канала. Однако поскольку высота плавников гораздо больше ширины верхнего затвора, то вклад верхнего затвора в управление током канала незначителен (высота плавника — 1 мкм, толщина подзатворного оксида — 5 нм, длина канала — 100 нм, ширина плавника — 50 нм). Реальные р-канальные Fin-FET имеют значение плотности тока 820 мк. А/мкм, при UС = UЗ = 1, 2 В (длина затвора — 45 нм, ширина канала — 30 нм). Теоретически оптимальным с точки зрения управления током канала является вариант, когда со всех сторон канала располагаются затворы (или круглый затвор). По свойствам к этому варианту приближается транзистор, называемый Pi-gate (рис. д). Здесь используется трехмерный затвор, две боковые стенки которого углублены в скрытый оксид. Достаточно обеспечить углубление 20 нм. КНИ-структурам свойственна проблема накопления заряда в скрытом диэлектрике, при радиационном облучении. Транзисторы Pi-gate обладают повышенной радиационной стойкостью. При облучении происходит накопление положительного заряда в скрытом оксиде и формируется паразитный канал проводимости в n-канальных транзисторах вблизи границы раздела.

Возможность «закрывать» паразитный транзистор напряжением на боковых затворах не только через боковой подзатворный оксид, но и через скрытый оксид за счет углубленных затворов, является преимуществом Pi-gate по сравнению с транзистором Fin-FET. Проводимости каналов транзисторы можно увеличить параллельным соединением кремниевых нанопроволочек. На основе КНИ-структур возможно создание квантово-размерных транзисторов, в частности одноэлектронных приборов. Одноэлектронные приборы предполагают формирование в нанопроволочке КНИ квантово-размерных островков (в пределе квантовых точек), отделенных туннельными барьерами от остальной части нанопроволочки. Если проводить утончение КНИ методом пошагового низкотемпературного термического окисления и травления, то при определенной толщине слоя кремния формируется структура, содержащая как проводящие каналы, так и массивы квантово-размерных кремниевых островков, отделенных от каналов туннельными барьерами. Так создается система одноэлектронных транзисторов. Каждый островок кремния обладает собственным набором локализованных энергетических состояний. А прохождение электронов через туннельные барьеры является вероятностным процессом.

Получить приборы, работающие при комнатной температуре с воспроизводимыми параметрами, возможно, когда их размеры меньше самоформирующихся квантовых точек, либо практически должно быть исключено влияние микрорельефа поверхности. Вариация ширины КНИ-проволочки и литография должны обеспечивать воспроизводимость размеров прибора на уровне единиц нанометров. На практике необходимо получать не отдельные транзисторы, а формировать из них блоки памяти в ИМС. При этом важно совмещение одноэлектронных транзисторов с остальной частью системы (в частности, с усилителями). Достоинством КНИ-транзисторов является возможность создания гибридных схем, содержащих одноэлектронные и МОП-транзисторы. Одноэлектронные КНИ-транзисторы обладают совместимостью с существующей кремниевой технологией. Переход от объемного кремния к пластинам «кремний на изоляторе» является перспективным способом создания транзисторов нанометрового диапазона.

НАНОТРАНЗИСТОРЫ С ГЕТЕРОПЕРЕХОДАМИ Гетеротранзистор --транзистор, содержащий один или несколько гетеропереходов. Зонные диаграммы гетеропереходов имеют разрывы зон, которые можно использовать для ограничения движения носителей заряда в направлении, перпендикулярном плоскости гетероперехода. В гетеропереходах носители заряда ведут себя в зависимости от направления движения. Гетеропереходы формируются, как правило, с помощью тонких слоев. В направлении, перпендикулярном слою, энергетический спектр носителей заряда имеет дискретный характер и наблюдается размерное квантование. В двух других направлениях плоскости слоя спектр носит непрерывный характер и сохраняется зонная структура. Технология полупроводниковых гетероструктур позволяет создавать системы с пониженной размерностью. Если движение носителей заряда ограничено в одном направлении, то формируется квантовая яма, в которой образуется двумерный электронный газ; если в двух — то квантовая нить. Нуль-мерная квантовая точка появляется в случае ограничения движения носителей по трем направлениям. На следующем рисунке приведена конструкция гетеротранзистора.

Структура гетеротранзистора выращена методом молекулярно-лучевой эпитаксии по технологии самосовмещения. В 2 D-слое имеются подвижные электроны с типичным значением подвижности 6500 см 2/В • с при 300 К и 120 000 см 2/В • с при 77 К. Соответствующие значения поверхностной плотности электронов составили 5, 4 • 1011 см– 2 и 7, 8 • 1011 см– 2 соответственно. Технология формирования такой структуры включала формирование затвора с барьером Шоттки на основе силицида металла, ионную имплантацию, отжиг и формирование омических контактов.

Понижение размерности повышает роль межэлектронных взаимодействий. В частности, в двумерном электронном газе наблюдаются целочисленный и дробный квантовые эффекты Холла. Целочисленный квантовый эффект Холла состоит в том, что при достаточно низких температурах в сильных магнитных полях на зависимости поперечного сопротивления от величины нормальной составляющей индукции магнитного поля к поверхности ДЭГ наблюдаются участки с неизменным поперечным сопротивлением или «плато» . Дробный квантовый эффект Холла наблюдается в магнитных полях, ещё более сильных, чем поля, необходимые для обычного, целочисленного квантового эффекта Холла. Обнаружены квазичастицы с электрическим зарядом, равным одной трети заряда электрона. В одномерных проводниках наблюдается квантование проводимости в отсутствие магнитного поля, возникают элементарные возбуждения с дробным электрическим зарядом, носители заряда без спина и носители спина без заряда. Различают несколько видов гетеротранзисторов. MES FE TРАНЗИСТОР Metallized Semiconductor Field Effect Transistor (в отличие от MOS metall-oksid-semiconductor). Наиболее популярным активным элементом является n-канальный полевой транзистор с затвором Шоттки, в котором металлический затвор расположен непосредственно на арсенид-галлиевой структуре (рис. А на следующем слайде).

Активный слой формируется методом ионной имплантации доноров в полуизолирующую подложку. Затвор Шоттки формируется в виде золотого контакта. Пороговое напряжение такого транзистора зависит от степени легирования, толщины канала, а также от расстояния (от затвора до канала) и лежит в пределах от – 4 до +0, 2 В. В качестве подзатворного диэлектрика используется обедненная электронами область пространственного заряда под барьером Шоттки. Канал представляет собой тонкий сильнолегированный слой Ga. As (п+)-типа, расположенный между легированным активным слоем и подложкой. Транзисторы этого типа имеют длину канала порядка 0, 13 мкм и работают на частоте 50 ГГц. К недостаткам MES FET-транзистора следует отнести трудности создания р-канальных транзисторов для формирования комплиментарных структур, а также невозможность использования максимальной подвижности электронов в канале (~8000 см 2/В • с) при концентрации доноров ~1018 см– 3.

НЕМТ-ТРАНЗИСТОРЫ Гетероструктурные полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов, или НЕМТ-транзисторы (рисунок Б), имеют большую крутизну ВАХ и большую предельную частоту. Крутизну ВАХ можно рассчитать по формуле где μ— подвижность электронов; СУД — удельная емкость подзатворного диэлектрика; L — длина канала; В — ширина канала. НЕМТ-транзисторы основаны на использовании «квантового колодца» в качестве канала, где формируется двумерный электронный газ. За счет потери одной степени свободы подвижность носителей увеличивается примерно вдвое, возрастает и эффективная концентрация носителей. Гетеропереход формируется из широкозонного полупроводника Al. XGa. X– 1 As и более узкозонного i-Ga. As. На их границе происходит разрыв энергетического уровня примерно на величину ΔЕ = 0, 38 э. В.

В качестве подзатворного диэлектрика используется широкозонный полупроводник Al. Ga. As, Который, вследствие искривления энергетических зон, теряет электроны. Канал представляет собой потенциальную яму, образованную в узкозонном проводнике на границе с более широкозонным. Поверхностная плотность электронов составляет ~2 • 1012 см– 2. За более чем четвертьвековую историю НЕМТ-транзисторы развились в семейство. Помимо соединений А 3 В 5 весьма перспективными оказались соединения In. Ga. As, In. Ga. P, In. Al. As, In. P. Соединения на основе индия отличаются высокой подвижностью электронов. Разрыв зоны проводимости ΔЕ достигает 0, 5 э. В. Разработаны n-и р-канальные НЕМТ-транзисторы, для которых создается потенциальная яма для дырок в узкозонном слое In. Ga. P. Для использования в мощных СВЧ-устройствах для работы в экстремальных условиях разработаны НЕМТ-транзисторы на основе Ga. N и Si. C. Канал у таких транзисторов обычно формируется в узкозонном слое Al. Ga. N. По частотным и усилительным свойствам НЕМТ-транзисторы на основе Al. Ga. N/Ga. N уступают транзисторам на соединениях Al. Ga. As/Ga. As, однако превосходят их по плотности снимаемого тока, мощности и рабочим напряжениям Uисток-сток.

ГЕТЕРОТРАНЗИСТОРЫ С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ И С ВЫСОКОЙ ПОДВИЖНОСТЬЮ ЗАРЯДА Одним из главных направлений СВЧ-полупроводниковой электроники является создание гетеропереходных полевых транзисторов с затвором Шоттки (ГПТШ) на Al. Ga. N/Ga. N. Основным элементом такой структуры является область двумерного газа в квантовом колодце, располагающаяся непосредственно под гетеропереходом. Подвижность в этой области составляет порядка 2000 см 2/В • с, а концентрация носителей ~1013 см 2. Структура ГПТШ представлена на следующем рисунке. Созданные конструкции ГПТШ имеют затвор длиной LЗ = 0, 55 мкм и шириной WЗ = 0, 246 мм, позволяя получить выходную мощность порядка 8 Вт на частоте 4 ГГц.

Одной из проблем Ga. N-технологии является нестабильность тока стока при его увеличении - коллапс тока. Оказалось, что этот эффект связан с наличием ловушечных центров на поверхности и в объеме материала буферного Ga. N-слоя. С этой целью пассивируют (лишают взаимодействия с другим материалом) поверхность диэлектрической пленкой Si. NХ, а также формируют Са. Р-слой. Транзисторы на соединении Ga. N, ширина запрещенной зоны которого 3, 4 э. В, сохраняют работоспособность до температур 500. . . 600°С. На основе Ga. N-транзисторов создаются монолитные интегральные схемы СВЧ-диапазона. Значительный интерес вызывают транзисторные структуры на основе гетероструктур Si/Si. Ge. Рассогласование постоянных решетки составляет 4, 2%, что вызывает механические напряжения в тонком слое гетероструктуры (см. рисунок).

Структура типа Si/Si. Ge получается путем осаждения кремния на подложку Si. Ge. При этом формируется слой напряженного кремния. В таком кремнии скорость дрейфа носителей на 70% выше, чем в обычном кремнии. Это позволяет увеличить быстродействие транзисторов на 40%. Транзисторы, сформированные на базе гетеропереходов Si/Si. Ge 0, 3, получили название модулировано-легированных транзисторов с затвором Шоттки или MOD FET. Подвижность электронов и дырок в канале таких транзисторов достигает значения μn = (1270. . . 2830) см 2/В • с и μр = (800. . . 1000) см 2/В • с. Это позволяет получить высокое значение Smax и f. Т. В таком типе транзисторов возможно создание комплиментарных пар. ТРАНЗИСТОР НА КВАНТОВЫХ ТОЧКАХ Это модулировано-легированная гетероструктура с квантовыми точками, встроенная в токовый канал. Такой транзистор - новый тип приборов на «горячих» электронах, перспективный для СВЧ-электроники. На следующем рисунке представлена структура модулировано-легированного транзистора на квантовых точках.

Такие гетероструктуры растят по модели Странеки — Крастанова, т. е. эпитаксиальный слой формируется на подложке с другими параметрами решетки. Квантовые точки возникают в слое, если его толщина превышает некоторое критическое значение. На полуизолирующую подложку Ga. As методом молекулярно-лучевой эпитаксии наносится нелегированный буферный слой Ga. As толщиной 0, 5 мкм. Затем наносятся два тонких слоя In. As, которые разделяются нелегированным «спейсер» -слоем Ga. As. Толщина слоев In. As составляет от 0, 7 до 1, 0 нм, а слоя Ga. As — от 3, 5 до 5, 6 нм.

При этом формируются два слоя квантовых точек. Затем выращивается второй «спейсер» -слой Al 0, 2 Ga 0, 8 As толщиной 10 нм. Далее выращиваются слои: Δ(Si)-легированный и нелегированный слой Al 0, 2 Ga 0, 8 As толщиной 35 нм. Формирование такой гетероструктуры завершалось выращиванием нелегированного слоя Ga. As толщиной 6 нм и легированного кремнием (n+ = 3 • 1018 см– 2) контактного слоя Ga. As толщиной 40 нм. И, наконец, создавались электроды транзистора: исток (И), затвор (З), сток (С). Длина затвора составляла 0, 3. . . 0, 4 мкм. Выяснилось, что подвижность и концентрация электронов в двумерном газе уменьшаются из-за наличия квантовых точек. Это означает, что квантовыми точками захватывается меньшее число электронов. Транспорт электронов в гетероструктурах с квантовыми точками имеет два компонента. Один формируется подвижными электронами из двумерного газа и соответствует насыщению их дрейфовой скорости. Второй обусловлен электронами, локализованными в квантовых ямах, и делает вклад в электронный транспорт только в сильных электрических полях.

На рисунке приведены вольтамперные характеристики гетероструктурного транзистора на квантовых точках с длиной затвора 0, 35 мкм при различных значениях напряжения на затворе UЗ. Эти характеристики принципиально отличаются от характеристик обычных МОП – транзисторов, у которых токи насыщения управляются напряжением на затворе. В транзисторных структурах на квантовых точках концентрация электронов, участвующих в транспорте в сильных полях, не зависит от напряжения на затворе. Пороговое же напряжение, необходимое для эмиссии электронов из квантовых точек, уменьшается, когда напряжение на затворе становится отрицательным. Если в МОП - транзисторных структурах происходит запирание транзистора при отрицательных напряжениях на затворе, то в транзисторах на квантовых точках ток стока при малых напряжений на стоке увеличивается. Такой тип транзисторов принципиально отличается от всех известных полевых транзисторов. Прибор имеет высокую реальную крутизну Smax≈ 500 м. См/мм, что делает их перспективными для электронной СВЧ - аппаратуры.

СПИН-ВЕНТИЛЬНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Спин-вентильный транзистор — это трехконтактный прибор, аналогичный транзистору с металлической базой. Базовая область транзистора содержит металлический многослойный спиновый вентиль, расположенный между двумя областями кремния с n-типом проводимости, которые играют роль эмиттера и коллектора. В такой структуре «горячий» электрон, чтобы попасть из эмиттера в коллектор, должен пройти через спин-вентильную базу. База спроектирована как обменная развязывающая спин-вентильная система. В ней два ферромагнитных материала (а именно Ni. Fe и Co), имеющие разные коэрцитивные силы, разделены прослойкой из немагнитного материала (Au).

Вследствие различия их коэрцитивных сил слои Ni. Fe и Co позволяют получить четко выраженную параллельную и антипараллельную ориентацию намагниченности в широком интервале температур. Эти слои можно перемагничивать по отдельности соответствующим магнитным полем. На границах раздела между металлической базой и полупроводниками формируются барьеры Шоттки. Для того чтобы получить барьеры высокого качества с хорошим выпрямляющим эффектом, на эмиттерной и коллекторной сторонах соответственно размещены тонкие слои Pt и Au, препятствующие непосредственному контакту магнитных слоев с кремнием. Так контакт Si-Pt образует высокий барьер Шоттки, он используется в качестве эмиттера. Коллекторный диод Шоттки формируется так, чтобы он имел более низкий барьер по сравнению с эмиттерным диодом. Например, контакт Si–Au, для которого барьер почти на 0, 1 э. В ниже барьера для контакта Si–Pt, очень хорошо соответствует этому условию. Для изготовления такого спин-вентильного транзистора используется методика, которая включает осаждение металла на две кремниевые пластины и их последующее соединение в условиях сверхвысокого вакуума.

Транзистор работает следующим образом. Между эмиттером и базой устанавливается такой ток (эмиттера IЭ), при котором электроны инжектируются в базу перпендикулярно слоям спинового вентиля. Так как инжектируемые электроны должны пройти через барьер Шоттки S i/Pt, они входят в базу как неравновесные ( «горячие» ). Энергия этих электронов определяется высотой эмиттерного барьера Шоттки, которая обычно составляет от 0, 5 до 1 э. В в зависимости от комбинации «металл — полупроводник» . Как только «горячие» электроны пересекают базу, они испытывают неупругое и упругое рассеяние, которое изменяет и их энергию, и их распределение по импульсам. Электроны способны войти в коллектор только тогда, когда они накопили энергию, достаточную для преодоления энергетического барьера со стороны коллектора. Этот барьер должен быть несколько ниже, чем эмиттерный. В равной степени важно и то, чтобы для горячего электрона в коллекторе имелись доступные состояния с соответствующими импульсами. Количество поступающих в коллектор электронов и, следовательно, ток коллектора существенно зависят от рассеяния в базе, которое является спин-зависимым. Ток коллектора регулируется путем переключения базы из согласованного по намагниченности низкоомного состояния в антисогласованное высокоомное состояние.

Рассеяние управляется внешним магнитным полем, которое, например, изменяет относительное направление намагниченностей двух ферромагнитных слоев спинового вентиля. Магнитный отклик спин-вентильного транзистора, называемый магнитотоком (МС — magnetocurrent), - это изменение тока коллектора, нормированное на его минимальное значение: где верхние индексы р и ар относятся соответственно к состоянию спинового вентиля с параллельной и антипараллельной намагниченностью. Наиболее важное свойство спин-вентильного транзистора заключается в том, что его коллекторный ток существенно зависит от магнитного состояния спинового вентиля в базе. Зависимость тока коллектора от приложенного магнитного поля показана на следующем рисунке. При больших полях два магнитных слоя имеют параллельные направления намагниченности. При этом ток коллектора максимален. Когда направление магнитного поля меняется на противоположное, различие полей перемагничивания Co (22 Э) и Ni. Fe (5 Э) приводит к тому, что векторы намагниченности Со и Ni. Fe оказываются антипараллельными.

В этом состоянии ток коллектора резко уменьшается. Относительный магнитный отклик очень велик. Он обеспечивает магнитоток около 300% при комнатной температуре и более 500% при Т = 77 К. Различные механизмы рассеяния «горячих» электронов могут приводить к уменьшению магнитного отклика. Если ток утечки коллектора незначителен, то ток коллектора и магнитоток не зависят от напряжения обратного смещения, приложенного к коллекторному барьеру Шоттки. Это связано с тем, что напряжение между базой и коллектором не изменяет высоту барьера Шоттки относительно уровня Ферми в металле. Т. е. энергетический барьер на пути выходящих из базы «горячих» электронов не изменяется. Точно так же изменение эмиттерного напряжения или, соответственно, тока эмиттера не влияет на энергию, при которой «горячие» электроны инжектируются в базу. Как следствие, ток коллектора пропорционален току эмиттера, но его величина на несколько порядков ниже. Важным преимуществом спин-вентильного транзистора является наличие сравнительно большого магнитного эффекта даже при комнатной температуре и слабых магнитных полях (несколько эрстед). Несмотря на низкий коэффициент усиления по току, это делает такой транзистор уникальным спинтронным прибором с широкими перспективами для использования в магнитной памяти и датчиках магнитного поля, где коэффициент усиления по току не столь важен. .