23 | 05 | 2019
Главное меню
Смотри
Статистика
Пользователи : 1
Статьи : 3923
Просмотры материалов : 9593159

Коллеги
Посетители
Рейтинг@Mail.ru
Советую
Online
  • [Bot]
  • [Google]
  • [Yandex]
Сейчас на сайте:
  • 22 гостей
  • 3 роботов
Новые пользователи:
  • Administrator
Всего пользователей: 1
RSS
Подписка на новости
Quantum Devices PDF Печать E-mail
Автор: Administrator   
17.01.2017 07:57

Quantum Devices

Глава 2 - Твердотельный Теория устройства


Большинство интегральные схемы являются цифровыми, основанные на МОП (CMOS) транзисторов. Каждые несколько лет, начиная с конца 1960-х годов геометрия термоусадочной имела место, увеличивая цепь плотностно дополнительной схемы по более низкой стоимости в том же пространстве. На момент написания статьи (2006), МОП длина затвора транзистора составляет 65 нм для ведущих производства края, с 45-нм предполагалось в течение года. При 65-нм токи утечки становятся очевидными. На 45-нм, героические нововведения были необходимы, чтобы свести к минимуму эту утечку. Конец усадки в МОП-транзисторов, как ожидается, на 20-ти до 30-нм. Хотя некоторые считают, что от 1 до 2 нм является пределом. Фотолитографии или другие литографические методы, будет продолжать улучшаться, обеспечивая все меньшую геометрию. Однако обычные МОП-транзисторов не ожидается, будет использоваться в этих небольших геометрии ниже 20-ти до 30-нм.

Улучшенная фотолитографии должны быть применены к другим, чем обычные транзисторы, размеры (при 20-ти до 30-нм). В objectional МОП токи утечки из-за квантово-механические эффекты-туннелирования электронов через оксидного слоя затвора, и узкий канал. Таким образом, квантово-механические эффекты являются помехой для всех меньших обычных МОП-транзисторов. Путь к все более мелких устройств геометрии включает в себя уникальные активные устройства, которые делают практическое применение принципов квантовой механики. Поскольку физическая геометрия становится очень малой, электроны могут рассматриваться как квантовый механический эквивалент: волны. Устройства, использующие принципов квантовой механики включают в себя: резонансно-туннельных диодах, квантовые туннельных транзисторов, металл-диэлектрик-металл диоды и транзисторы квантовых точек.


Квантовое туннелирование: является прохождение электронов через изолирующий барьер , который является тонким по сравнению с де Бройля (здесь) длины волны электрона. Если "электронная волна" велика по сравнению с барьером, существует вероятность того, что по обе стороны барьера появляется волна.




Классический вид электрона преодолением барьера, или нет. Квантовомеханическое вид позволяет электрон туннель через барьер. Вероятность (зеленый) связана с толщиной барьера. После того, как рисунок 1 [PHA]

В классической физике, электрон должен обладать достаточной энергией для преодоления барьера. В противном случае, он отскакивает от барьера. (Рисунок выше ) Квантовая механика позволяет вероятность электрона находящегося на другой стороне барьера. Если рассматривать как волны, электрон может выглядеть весьма большим по сравнению с толщиной барьера. Даже тогда, когда рассматривается как волна, существует лишь небольшая вероятность того, что он будет найден на другой стороне толстой барьера. См зеленой части кривой, рис выше . Прореживание барьер увеличивает вероятность того, что электрон находится на другой стороне барьера. [PHA]

Туннельный диод: неуточненный термин туннельного диода относится к Эсаки туннельного диода, раннего квантового устройства. Обратный предвзятым диод образует обедненную область, изолирующую область, между проводящим анодом и катодом. Эта обедненная область только тонкий по сравнению с длиной волны электрона, когда сильно doped- 1000 раз легирование выпрямительный диод. При правильном смещения, квантовое туннелирование возможно. См CH 3 для деталей.


RTD, резонансный туннельный диод: Это квантовое устройство не следует путать с туннельным диодом Есаки, CH 3 , обычным сильно легированного биполярного полупроводника. Электроны туннель через два барьера , разделенных скважины в проточной истока к стоку в туннельно - резонансного диода. Туннелирование также известен как квантово-механического туннелирования. Поток электронов управляется смещением диода. Это соответствует энергетические уровни электронов в источнике квантованного уровня в скважине, так что электроны могут туннель через барьеры. Уровень энергии в скважине квантуется, так как хорошо мала. Когда уровни энергии равны, возникает резонанс, позволяя поток электронов через барьеры , как показано на рисунке ниже (б).

Нет смещения или слишком много предвзятости, на рисунках ниже (а) и (с) соответственно, дает несоответствие энергии между источником и хорошо, и нет проводимости.




Резонансное туннелирование диод (RTD): (а) Нет предвзятости, источник и энергии и уровни не совпадают, не проводимости. (б) Небольшие смещения причины совпадающая уровни энергии (резонанс); Результаты проводимости. (с) дальнейшее смещение не соответствует уровней энергии, снижение проводимости.

Поскольку смещение увеличивается с нуля через RTD, ток увеличивается, а затем уменьшается, что соответствует, на, и вне государства. Это делает упрощение обычных транзисторных схем возможного путем замены пары термометров сопротивления для двух транзисторов. Например, два спина к спине термометрами и транзистор образуют ячейку памяти, используя меньшее количество компонентов, меньше площади и мощности по сравнению с обычной схемой. Потенциальное применение термометров сопротивления является уменьшение число компонентов, площади и рассеиваемой мощности обычных транзисторных схем путем замены некоторых, хотя и не все, транзисторы. [ПВС]

Терморезисторы было показано, что качаться до 712 Ггц. [Еврорадио]

Двойной слой туннельный транзистор: The Deltt, иначе известный как двухслойная туннельного транзистора выполнен из пары проводящих скважин , разделенных изолятором или высокой запрещенной зоны полупроводника. (Рисунок ниже )

Лунки настолько тонкие, что электроны удерживаются в двух измерениях. Они известны как квантовые ямы. Пара этих квантовых ям изолированы тонкой GaAlAs, высокая запрещенной зоны (не легко вести) слоя. Электроны могут туннель через изолирующий слой , если электроны в двух квантовых ям имеют один и тот же импульс и энергию. Лунки настолько тонкие, что электрон может рассматриваться как волне- квантовомеханический двойственность частиц и волн. Верхний и нижний дополнительные ворота управления могут быть скорректированы для выравнивания уровней энергии (резонанс) электронов проводимости, чтобы от истока к стоку. На рисунке ниже , диаграмма барьера красные столбики показывают неравное энергетических уровней в скважинах, в «закрытом состоянии» состоянии. Правильное смещение ворот выравнивает уровни энергии электронов в лунках, в "открытом состоянии" состояние. Столбики бы на том же уровне в диаграмме энергетических уровней.




Двухслойный туннелирования транзистор (Deltt) состоит из двух электронных содержащий скважин , разделенных непроводящей барьером. Эти напряжения на затворе , может быть отрегулирована таким образом , чтобы энергия и импульс электронов в лунках, равны , который позволяет электронам туннель через непроводящей барьер. (Энергетические уровни показаны как неравные по схеме барьера.)

Если смещения затвора увеличена за который требуется для туннелирования, уровни энергии в квантовых ямах больше не совпадают, туннелирование тормозится, истока к стоку ток уменьшается. Подводя итог, увеличение смещения затвора от нуля приводит включена, выключена, на условиях. Это позволяет пару Deltt, чтобы быть уложены в виде дополнительной пары CMOS; хотя, разные p- и n- типа транзисторов не требуются. Напряжение питания составляет около 100 мВ. Экспериментальная Deltt были произведены , которые работают вблизи 4,2 К, 77 К, и 0 ° С. Номер версии температуры ожидаются. [ПВС]

[IGB]

[ВБП]


MIIM диод: металл-диэлектрик-диэлектрик-металл (MIIM) диод является квантовое туннелирование устройство, а не на основе полупроводников. Смотрите раздел "MIIM диод раздел" Рисунок ниже . Изолятор слои должны быть тонкими по сравнению с де Бройля (здесь)
длина волны электрона, для квантового туннелирования возможным. Для диодного действия, должно быть предпочитаемое направление туннелирования, в результате чего резкий изгиб в диоде характеристической кривой вперед. Диод MIIM имеет более острый форвардной кривой, чем металл-диэлектрик-металл (MIM) диода, здесь не рассматривается.




Металлический изолятор изолятор металл (MIIM) диод: Поперечное сечение диода. Уровни энергии для смещения, не прямого смещения, и обратного смещения. После того, как рисунок 1 [PHI] .

Энергетические уровни М1 и М2 равны "никакой предвзятости" Рисунок выше . Тем не менее, (тепловые) электроны не могут течь из-за высокой I1 и I2 барьеров. Электроны в металла М2 имеют более высокий энергетический уровень в "обратное смещение" Рисунок выше , но до сих пор не может преодолеть барьер изолятор. Как видно из рисунка "прямого смещения" выше увеличивается, квантовая яма, область , где могут существовать электроны, образуется между изоляторами. Электроны могут проходить через изолятор I1, если М1 bised на том же уровне энергии, что и квантовой ямы. Простое объяснение состоит в том, что расстояние через изоляторы короче. Более длинное объяснение состоит в том, что, как увеличивает смещение, вероятность волны электрона перекрытия от M1 до квантовой увеличивается также. Для более подробного объяснения см Phiar Corp. [PHI]

MIIM устройства работают на более высоких частотах (3,7 ТГц), чем СВЧ транзисторов. [RCJ3] Добавление третьего электрода к диоду MIIM производит транзистор.





Квантовая точка транзистора: изолированный проводник может взять на себя заряд, измеряется в кулонах для крупных объектов. Для нано-масштаба изолированного проводника , известной как квантовая точка, заряд измеряется в электронов. Квантовая точка от 1 до 3 нм может взять на себя инкрементного заряд одного электрона. Это является основой квантового транзистора точка, также известный как один электрон транзистора.

Квантовая точка на вершине помещается тонкий изолятор над богатым источником электронов известен как один электронный ящик. ( На рисунке ниже (а)) Энергия , необходимая для перевода электрона связан с размером точки и числа электронов , уже на точку.

Электрод затвора над квантовой точки можно регулировать уровень энергии точки так, что квантово-механическое туннелирование электрона (как волны) от источника через изолятор возможно. (Рисунок ниже (б)) Таким образом, один электрон может туннелировать в точку.




(а) Одно окно электрона, изолированная квантовая точка отделена от источника электронов изолятором. (б) Положительный заряд на ворота поляризует квантовая точка, туннелирования электрона от источника до точки. (с) Quantum транзистор: канал заменяется квантовой точки , окруженной туннельного барьера.

Если квантовая точка окружена туннельного барьера и заключали между истоком и стоком обычного полевого транзистора, как показано на рисунке выше (с), заряд на точку может модулировать поток электронов от истока к стоку. По мере увеличения напряжения на затворе, источник стечь ток возрастает, вплоть до точки. Дальнейшее увеличение напряжения на затворе уменьшается ток стока. Это похоже на поведение резонансных устройств RTD и Deltt. Только один вид транзистора необходимо построить комплементарную логическую схему. [ПВС]

Одиночный электрон транзистор: Если пара проводников, сверхпроводников, или полупроводников разделены парой туннельными барьерами (изолятор), окружающие крошечный проводящий остров, подобно квантовой точке, поток одного заряда (пару Купера для сверхпроводников) может контролироваться воротами. Это единственный электронный транзистор , подобный показанному на фиг выше (с). Увеличение положительного заряда на ворота, позволяет электрону тоннель на остров. Если он достаточно мал, низкая емкость будет вызывать точечный потенциал существенно возрастет из-за одного электрона. Нет больше электронов могут туннель к острову из-за заряда электрона. Это известно в кулоновской блокады. Электрон, тоннельный на остров, могут туннель к стоку.

Одиночные электронные транзисторы работают при близком к абсолютному нулю. Исключение составляет графена одного электрона транзистор, имеющий графена остров. Они все экспериментальные устройства.

Графен транзистор: графит, аллотроп углерода, не имеет жесткую взаимосвязанную кристаллическую структуру алмаза. Тем не менее, он не имеет кристаллический корпусного толщиной в один атом, так называемый двумерную структуру. Графитовый представляет собой трехмерный кристалл. Тем не менее, она расщепляет на тонкие листы. Экспериментаторы, принимая это до крайности, производят размера пятнышки микрон в виде тонких , как одного атома , известного как графен. (Рисунок ниже (а)) Эти мембраны обладают уникальными электронными свойствами. С высокой проводимостью, проводимость является либо электронов или дырок, без допинга любого рода. [AKG]

Графеновые листы могут быть разрезаны на транзисторных структур с помощью литографических методов. Транзисторы имеют некоторое сходство с МОП-транзистора. Ворота емкостную связь с проводимостью элементов управления графен канала.

Поскольку кремниевые транзисторы масштабироваться до меньших размеров, увеличение утечек наряду с рассеиваемой мощности. И они становятся все меньше каждые пару лет. Графен транзисторов рассеивать мало энергии. И, они переключаются на высокой скорости. Графен может стать заменой кремния когда-нибудь.

Графен может быть придана устройств размером до шестидесяти атомов в ширину. Графен квантовых точек внутри транзистора этот небольшой служить одиночный электрон транзисторов. Предыдущие одноэлектронные транзисторы вылепленные либо из сверхпроводников или обычных полупроводниках работать вблизи абсолютного нуля. Графен одноэлектронные транзисторы однозначно функционировать при комнатной температуре. [JWA]

Графен транзисторы лабораторных курьезов в это время. Если они должны пойти в производство два десятилетия с этого момента, графеновые пластины должны быть произведены. Первый шаг, производство графена методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), было выполнено в экспериментальном масштабе. Хотя, не вафель не доступны на сегодняшний день.




(а) Графен: Один лист графита аллотроп углерода. Атомы расположены в виде гексагональной структуры с углеродом при каждом пересечении. (б) углеродная нанотрубка: свернутый лист графена.

Углеродные нанотрубки транзистор: Если 2-D лист графена проката, в результате структура 1-D известна как углеродные нанотрубки. (Рисунок выше (б)) Причина , чтобы рассматривать его как 1-мерное является то , что она обладает высокой проводимостью. Электроны пересекают углеродные нанотрубки без рассеяния на кристаллической решетке. Сопротивление в нормальных металлах обусловлен рассеянием электронов металлической кристаллической решетки. Если электроны избежать этого рассеяния, проводимости называется баллистическим транспортом. Оба металла (действия) и полупроводниковые углеродные нанотрубки были произведены. [MBR]

Полевые транзисторы могут быть вылеплены от А углеродных нанотрубок путем осаждения истоком и стоком контакты на концах, и емкостную сцепления ворота к нанотрубке между контактами. Оба р- и п-типа транзисторов были изготовлены. Почему интерес к углеродной нанотрубки транзисторов? Нанотрубки полупроводники меньше, быстрее, более низкая мощность по сравнению с кремниевых транзисторов. [PNG]

Спинтроника:
Обычные полупроводниковые приборы управления потоком электронного заряда, ток. Цифровые состояния представлены "на" или "выключено" поток тока. Поскольку полупроводники стали более плотным с переходом на меньшую геометрию, мощность, которая должна быть рассеивается в виде тепла возрастает до такой степени, что трудно удалить. Электроны имеют отличные от заряда свойства, такие как спина. Предварительное объяснение спина электрона является вращение распределенного заряда электрона вокруг оси спина, аналогичные суточного вращения Земли. Петли тока, создаваемого движением заряда, образуют магнитное поле. Тем не менее, электрон больше похож на точечный заряд, чем распределенного заряда, Таким образом, вращающаяся распределенная заряд аналогия не является правильным объяснением спина. Спин электрона может иметь один из двух состояний: вверх или вниз, которые могут представлять цифровые состояния.
Точнее спина (м ы) квантовое число может быть

± 1/2 угловой момент (L) квантовое число. [ДВР]

Управление спин электрона вместо потока заряда значительно уменьшает рассеивание мощности и увеличивает скорость переключения. Спинтроника, акроним для спинового транспорта ELECTRONICS, не широко применяется из - за сложности создания, управления и зондирования спин электрона. Тем не менее, высокая плотность, энергонезависимого магнитного спина памяти находится в производстве с использованием модифицированных полупроводниковых процессов. Это связано с спинового клапана головки считывания магнитной используется в компьютерных HARDDISK дисках, не упомянутых здесь далее.



Простой магнитный туннельный переход (MTJ) показан на рисунке ниже (а), состоящий из пары ферромагнитных, сильных магнитных свойств , таких как железо (Fe), слои разделены тонким изолятором. Электроны могут туннель через достаточно тонкий изолятор из-за квантово-механических свойств electrons- волновой природы электронов. Тока через MTJ функция намагниченности, спина полярности, ферромагнитных слоев. Сопротивление MTJ низкое, если магнитное спин верхний слой находится в том же направлении (полярность) в качестве нижнего слоя. Если магнитные спины двух слоев выступают против, сопротивление выше. [WJG]




(а) Магнитный туннельный переход (MTJ): Пара ферромагнитных слоев , разделенных тонким изолятором. Сопротивление изменяется в зависимости от полярности намагниченности верхнего слоя (б) антиферромагнитного смещения магнита и возлагали нижней ферромагнитного слоя повышает чувствительность устойчивость к изменениям полярности верхнего ферромагнитного слоя. Взято из [WJG] Рисунок 3.

Изменение сопротивления может быть повышена за счет добавления АФМ, материал , имеющий закрутки выровнены , но противоположные, ниже нижнего слоя на рисунке выше (б). Это смещение магнита прижимает нижний ферромагнитного спин слоя к одной неизменной полярности. Намагниченность верхний слой (спин) может быть перевернута, чтобы представить данные приложением внешнего магнитного поля не показано на рисунке. Шарнирно закрепленный слой не зависит от внешних магнитных полей. Опять же, сопротивление MTJ является самым низким, когда спин верхнего ферромагнитного слоя такой же смысл, как нижний возлагали ферромагнитного слоя. [WJG]

MTJ - можно дополнительно улучшить путем разделения возлагали ферромагнитного слоя на два слоя , разделенных буферным слоем на рисунке ниже (а). Это изолирует верхний слой. Нижний слой ферромагнитного пиннингуется АФМ, как на предыдущем рисунке. Ферромагнитного слоя поверх буфера привлекает нижней ферромагнитного слоя. Противоположности притягиваются. Таким образом, спин полярность дополнительный слой противоположно, что в нижнем слое из-за притяжения. Нижние и средние ферромагнитных слоев остаются неподвижными. Верхний слой ферромагнитного может быть установлен либо спина полярности большими токами в уточненного проводников (не показано). Это, как данные сохраняются. Данные считываются за счет разницы в протекании тока через туннельный переход. Сопротивление минимальна, если слои на обеих сторонах оскорбительной слоя имеют одинаковый спин.
[WJG]




(а) Расщепление возлагали ферромагнитного слоя (б) с помощью буферного слоя повышает устойчивость и изолирует верхний слой ферромагнитного незакрепленные. Данные сохраняются в верхнем ферромагнитного слоя на основе спиновой полярности (б) MTJ - ячейки , встроенной в считанных строк полупроводника диэлектриче- один из многих MTJгодов. Взято из [IBM]

Массив магнитных туннельных переходов, могут быть встроены в кремниевую пластину с проводниками, соединяющими верхние и нижние терминалы для считывания битов данных из MTJ-х годов с обычными КМОП-схемы. Одним из таких MTJ показано на рисунке выше (б) с считанных проводниками. Не показано, другой пересекли массив проводников, несущих большие токи записи переключения магнитного спина верхней ферромагнитного слоя для хранения данных. Электрический ток подается на один из многих "X" проводников и "Y" проводника. Один MTJ в массиве намагничивается под проводники 'кроссинговера. Данные считываются путем измерения тока MTJ с традиционным кремниевых полупроводниковых схем. [IBM]

Основная причина интереса к магнитной памяти туннельного перехода является то , что она является энергонезависимым. Он не теряет данные при включении питания "выключено". Другие типы энергонезависимой памяти способны лишь ограниченный ресурс циклов хранения. MTJ памяти также более высокая скорость, чем большинство типов полупроводниковой памяти. Сейчас (2006) коммерческий продукт. [TLE]

Не коммерческий продукт, или даже лабораторный прибор, является теоретической спин транзистор, который может в один прекрасный день сделать возможным спин логических вентилей. Спин транзистор является производным от теоретического спинового диода.

Это было известно в течение некоторого времени, что электроны, протекающей через кобальт-железо ферромагнетика стать спин-поляризованной. Ферромагнетика действует как фильтр, проходящий электроны одного спина предпочтительно. Эти электроны могут поступать в соседний немагнитный проводник (или полупроводника) сохранения спиновой поляризации в течение короткого промежутка времени, наносекунд. Хотя, спиновые поляризованные электроны могут распространяться на значительное расстояние по сравнению с полупроводниковыми размерами. Спин поляризованные электроны могут быть обнаружены с помощью железо-никелевого ферромагнитного слоя, прилегающего к полупроводнике. [ДВР]

[RCJ2]

Кроме того, было показано, что поляризация электронных спинов происходит, когда циркулярно поляризованный свет освещает некоторые полупроводниковые материалы. Таким образом, она должна быть обеспечена возможность вводить спин-поляризованных электронов в полупроводниковом диоде или транзисторе. Интерес к спин на основе транзисторов и ворот из-за бездиссипативной характер распространения спина, по сравнению с диссипативной потоком заряда. Как обычные полупроводники сокращены в размерах, рассеиваемой мощности возрастает. В какой-то момент свертывание больше не будет практичным. Исследователи ищут замену обычного транзистора на основе заряда потока. Это устройство может быть основано на спинтроники. [RCJ]

  • ОБЗОР:
  • Как МОП-оксид затвора редеет с каждым новым поколением мелких транзисторов, чрезмерная утечка ворота вызывает неприемлемые рассеиваемой мощности и нагрева. Предел сворачивают обычной геометрии полупроводника находится в пределах видимости.
  • Резонансное туннелирование диод (RTD): квантовые механические эффекты, которые ухудшают обычные полупроводники, которые применяются в RTD. Поток электронов через достаточно тонкий изолятор, является волновая природа электронно- волновой дуализм. Функции RTD как усилитель.
  • Двойной слой туннельный транзистор (Deltt): The Deltt является транзистор версии RTD. Ворота смещения контролирует способность электронов к туннелю через тонкий изолятор из одной квантовой ямы в другую (истока к стоку).
  • Квантовая точка транзистора: квантовая точка, способна удерживать заряд, окружен тонким туннельного барьера заменив ворота обычного полевого транзистора. Заряд квантового управления источником точка для отвода тока.
  • Спинтроника: Электроны имеют два основных свойства: заряд и спин. Обычные электронные устройства управления потоком заряда, рассеивая энергию. Спинтронные устройства манипулирования спин электрона, а пропагативный, недиссипативных процесс.
 
Для тебя
Читай
Товарищи
Друзья