Баллистический транзистор

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Баллистические транзисторы — собирательное название электронных устройств, где носители тока движутся без диссипации энергии и длина свободного пробега носителей много больше размера канала транзистора. В теории эти транзисторы позволят создать высокочастотные (ТГц диапазон) интегральные схемы, поскольку быстродействие определяется временем пролёта между эмиттером и коллектором или другими словами расстоянием между контактами делённое на скорость электронов. В баллистическом транзисторе скорость электронов определяется фермиевской скоростью, а не дрейфовой скоростью связанной с подвижностью носителей тока. Для реализации такого типа транзистора необходимо исключить рассеяние на дефектах кристалла в токовом канале (включая рассеяние на фононах), что можно достичь только в очень чистых материалах, таких как гетероструктура GaAs/AlGaAs. Двумерный электронный газ сформированный в GaAs квантовой яме обладает высокой подвижностью при низкой температуре и соответственно большей, чем в других материалах длиной свободного пробега, что позволяет создавать при помощи электронной литографии устройства где траекторией электронов можно управлять с помощью затворов или зеркально рассеивающих дефектов, хотя обычный полевой транзистор тоже будет работать, как баллистический (при достаточно малых размерах). Баллистические транзисторы также созданы на основе углеродных нанотрубок , где благодаря отсутствию обратного рассеяния (длина свободного пробега увеличивается до линейного размера трубки) рабочие температуры даже выше, чем в случае с GaAs.

Углеродные нанотрубки[править | править исходный текст]

Транспорт в одностенных металлических нанотрубках баллистический, но до 2003 года использовать нанотрубки при создании баллистических транзисторов не получалось поскольку не было известно хорошего материала для омического контакта. Между никелем (титаном) и одностенной металлической углеродной нанотрубкой формируется барьер Шоттки. Эту проблему удалось решить благодаря использованию палладия (для p-типа проводимости), который обладает большой работой выхода и лучшей смачиваемостью (однородное распределение палладия по нанотрубке, в отличие от платины)[1]. Такие транзисторы работают при комнатной температуре, хотя при работе в одномодовом режиме сопротивление транзистора в открытом состоянии не меньше чем 6 кОм.

Пример реализации[править | править исходный текст]

Вместо, требующего большу́ю мощность управления, 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. Под действием электрического поля медленные электроны из материала токоподводящего электрода переходят в тонкий сверхпроводящий слой полупроводника транзистора. Медленные электроны, вошедшие в полупроводник, ускоряются электрическим полем схемы на всём пути в полупроводнике. Летящие в тонкой плёнке полупроводника с большой скоростью быстрые электроны не сталкиваются с атомами полупроводника и образуют двумерный электронный газ (не молекулярный). Затем ускоряющиеся электроны отклоняются электрическим или магнитным полем управляющих электродов и направляются по одному из путей. При двух путях, один из путей соответствует логическому "0", а другой - логической "1". Затем быстрые электроны сталкиваются или со стенкой одного из путей или с клиновидным отражателем (дефлектором) отражающими электроны границей полупроводника и донаправляются ими в нужное русло. Название "баллистический" было выбрано для отражения свойства отдельных электронов проходить тонкоплёночный сверхпроводящий слой полупроводника баллистического транзистора без столкновений с атомами полупроводника, действуя в полупроводнике, как двухмерный электронный газ.[2].

История[править | править исходный текст]

Первыми баллистическими устройствами были баллистические двухполупериодные выпрямители[3], сделанные из InGaAs–InP гетероструктуры и детектировавшие (выпрямлявшие) переменный ток частотой до 50 ГГц.

Технология[править | править исходный текст]

В сверхпроводящей тонкой плёнке полупроводника с названием 2-Dimention Electron Gas (2-DEG, 2DEG) на подложке электронным лучом удаляются ненужные части полупроводника, оставшаяся часть полупроводника является баллистическим двухполупериодным выпрямителем, а при добавлении управляющих электродов — баллистическим дифференциальным усилителем.

Преимущества[править | править исходный текст]

Схемы дифференциального усилителя на двух полевых транзисторах (слева) и дифференциального усилителя на интегральной баллистической паре (справа) (резисторы R, R1 и R2 - внешние и подключаются к выводам Vout+ и Vout-)

Преимуществами являются меньшие размеры, отсутствие дробового шума при низкой температуре[4], меньшая потребляемая мощность и более высокая (терагерцы) частота переключений. Эта технология была впервые разработана в Рочестерском Университете (Штат Нью-Йорк, США), в котором был создан исследовательский прототип, остающийся понятийным до сего времени. Прототип был сделан в Cornell Nanofabrication Facility[5], входящей в партнёрство NNIN НИО США, работающих в области нанотехнологий, с поддержкой Office of Naval Research[2].

Модель и схема двухуровневого двухполярного двоичного логического элемента 2ИЛИ-НЕ на двух BDT дифференциальных парах[6]

Этот прототип подобен интегральным дифференциальным парам транзисторов, что определяет возможные области его применения (дифференциальные входные каскады операционных усилителей, компараторов, логические схемы подобные ЭСЛ, эмиттерно-связанные триггеры Шмитта и др.).

См. также[править | править исходный текст]

Ссылки[править | править исходный текст]

  1. Ali Javey, Jing Guo, Qian Wang, Mark Lundstrom & Hongjie Dai Ballistic carbon nanotube field-effect transistors Nature 424, 654 (2003)
  2. 1 2 Radical 'ballistic computing' chip bounces electrons like billiards. University of Rochester. Проверено 1 января 2014. Архивировано из первоисточника 18 августа 2012.
  3. Room-Temperature Ballistic Nanodevices. Aimin M. Song. Department of Electrical Engineering and Electronics, University of Manchester Institute of Science and Technology, Manchester M60 1QD, England http://personalpages.manchester.ac.uk/staff/A.Song/publications/Enn.pdf
  4. Ya. M. Blanter and M. Büttiker. Shot Noise in Mesoscopic Conductors. Phys. Rep. 336, 1 (2000). [1]
  5. The Cornell NanoScale Science & Technology Facility (CNF)
  6. Баллистический транзистор. Блок 021