Квантовые устройства

Большинство интегральных схем являются цифровыми, основанными на МОП (КМОП) транзисторах. Каждые пару лет, начиная с конца 1960-х годов, происходит уменьшение геометрии, увеличивая плотность схемы - больше схем при меньших затратах в том же пространстве. На момент написания этой статьи (2006 г.) длина затвора МОП-транзистора составляла 65 нм для передового производства, а в течение года ожидается 45 нм. На длине волны 65 нм становились очевидными токи утечки. На 45-нм длине волны потребовались героические инновации, чтобы минимизировать эту утечку. Окончание усадки в МОП-транзисторах ожидается при длине волны 20–30 нм. Хотя некоторые думают, что 1-2 нм - это предел. Фотолитография или другие литографические методы будут продолжать совершенствоваться, обеспечивая все более мелкую геометрию. Однако не ожидается, что обычные МОП-транзисторы будут использоваться при такой меньшей геометрии менее 20–30 нм.

Улучшенная фотолитография должна быть применена к другим, чем обычные транзисторы, размерам (до 20-30 нм). Нежелательные токи утечки МОП возникают из-за квантово-механических эффектов - туннелирования электронов через оксид затвора и узкого канала. Таким образом, квантово-механические эффекты являются препятствием для обычных МОП-транзисторов все меньшего размера. Путь к устройствам с еще меньшей геометрией связан с уникальными активными устройствами, в которых на практике используются принципы квантовой механики. Поскольку физическая геометрия становится очень маленькой, электроны можно рассматривать как квантово-механический эквивалент:волну. К устройствам, использующим принципы квантовой механики, относятся резонансные туннельные диоды, квантово-туннельные транзисторы, металлические диоды с металлическими изоляторами и транзисторы с квантовыми точками.

Квантовое туннелирование

Квантовое туннелирование: представляет собой прохождение электронов через изолирующий барьер, который является тонким по сравнению с длиной волны электронов де Бройля. Если «электронная волна» велика по сравнению с барьером, существует вероятность того, что волна появится по обе стороны от барьера.

Классический взгляд на то, как электрон преодолевает барьер или нет. Квантовая механика позволяет электрону туннелировать через барьер. Вероятность (зеленый цвет) связана с толщиной барьера. После рисунка 1

В классической физике электрон должен обладать достаточной энергией, чтобы преодолеть барьер. В противном случае он отскакивает от преграды. (Рисунок выше) Квантовая механика допускает вероятность того, что электрон находится по ту сторону барьера. Если рассматривать электрон как волну, он может выглядеть довольно большим по сравнению с толщиной барьера. Даже если рассматривать ее как волну, существует лишь небольшая вероятность того, что она будет обнаружена по ту сторону толстого барьера. См. Зеленую часть кривой на рисунке выше. Утончение барьера увеличивает вероятность того, что электрон окажется по другую сторону барьера.

Туннельный диод

Туннельный диод: Безоговорочный термин туннельный диод относится к туннельному диоду Esaki , раннее квантовое устройство. Диод с обратным смещением образует обедненную область, изолирующую область между проводящим анодом и катодом. Эта обедненная область является только тонкой по сравнению с длиной волны электронов при сильном легировании - в 1000 раз больше, чем у выпрямительного диода. При правильном смещении возможно квантовое туннелирование. См. Подробности в канале 3.

Резонансный туннельный диод (RTD)

RTD, резонансно-туннельный диод: Это квантовое устройство не следует путать с туннельным диодом Эсаки, CH 3, обычным сильно легированным биполярным полупроводником. Электроны туннель через два барьера, разделенных колодцем на истоке и стоком в резонансном туннельном диоде . Туннелирование также известно как квантово-механическое туннелирование. Поток электронов контролируется смещением диода. Это приводит в соответствие уровни энергии электронов в источнике с квантованным уровнем в яме, чтобы электроны могли туннелировать через барьеры. Уровень энергии в колодце квантован, потому что колодец мала. Когда уровни энергии равны, возникает резонанс происходит, позволяя электронам проходить через барьеры, как показано на рисунке ниже (b). Отсутствие смещения или слишком большое смещение на рисунках ниже (а) и (с) соответственно приводит к рассогласованию энергии между источником и скважиной и отсутствию проводимости.

Резонансный туннельный диод (RTD):(a) Нет смещения, уровни энергии источника и колодца не согласованы, нет проводимости. (b) Небольшое смещение вызывает согласование уровней энергии (резонанс); результаты проведения. (c) Дальнейшее смещение приводит к несоответствию уровней энергии, что снижает проводимость.

Когда смещение увеличивается от нуля на RTD, ток увеличивается, а затем уменьшается, что соответствует состояниям «выключено», «включено» и «выключено». Это делает возможным упрощение обычных транзисторных схем путем замены двух транзисторов парой RTD. Например, два подключенных друг к другу RTD и транзистор образуют ячейку памяти с использованием меньшего количества компонентов, меньшей площади и мощности по сравнению с традиционной схемой. Возможное применение RTD - уменьшить количество компонентов, площадь и рассеиваемую мощность обычных транзисторных схем путем замены некоторых, хотя и не всех, транзисторов. [GEP] RTD работает на частоте до 712 ГГц. [ERB]

Двухслойный туннельный транзистор (Deltt)

Двухслойный туннельный транзистор: Дельт , иначе известный как двухслойный туннельный транзистор состоит из пары проводящих ям, разделенных диэлектриком или полупроводником с большой шириной запрещенной зоны. (Рисунок ниже) Ямы настолько тонкие, что электроны ограничены двумя измерениями. Они известны как квантовые ямы . . Пара этих квантовых ям изолирована тонким слоем GaAlAs с большой шириной запрещенной зоны (плохо проводящим). Электроны могут туннелировать через изолирующий слой, если электроны в двух квантовых ямах имеют одинаковый импульс и энергию. Ямы настолько тонкие, что электрон можно рассматривать как волну - квантово-механический дуализм частиц и волн. Верхние и дополнительные нижние управляющие вентили могут быть отрегулированы для выравнивания уровней энергии (резонанса) электронов, чтобы обеспечить проводимость от истока к стоку. На рисунке ниже, красные столбцы диаграммы барьеров показывают неравные уровни энергии в скважинах, состояние «выключено». Правильное смещение затворов уравновешивает уровни энергии электронов в ямах, состояние «включено». Полосы будут на одном уровне на диаграмме уровней энергии.

Двухслойный туннельный транзистор (Deltt) состоит из двух электронных ям, разделенных непроводящим барьером. Напряжения затвора можно регулировать так, чтобы энергия и импульс электронов в ямах были равны, что позволяет электронам туннелировать через непроводящий барьер. (Уровни энергии показаны неравными на диаграмме барьеров.)

Если смещение затвора превышает необходимое для туннелирования, уровни энергии в квантовых ямах больше не совпадают, туннелирование запрещается, ток истока к стоку уменьшается. Подводя итог, увеличение смещения затвора от нуля приводит к включению, выключению, включению. Это позволяет складывать пару Deltt в виде дополнительной пары CMOS; однако разные транзисторы p- и n-типа не требуются. Напряжение питания около 100 мВ. Были изготовлены экспериментальные Deltt, которые работают при температуре около 4,2 К, 77 К и 0 ° C. Ожидаются версии с комнатной температурой. [GEP] [IGB] [PFS]

Металл-Изолятор-Изолятор-Металл (МИИМ)

Диод MIIM: металл-изолятор-изолятор-металл (MIIM) диод - это устройство квантового туннелирования, не основанное на полупроводниках. См. Раздел «Диоды MIIM» на рисунке ниже. Слои изолятора должны быть тонкими по сравнению с длиной волны электронов де Бройля, чтобы было возможно квантовое туннелирование. Для действия диода должно быть предпочтительное направление туннелирования, приводящее к резкому изгибу прямой характеристической кривой диода. Диод MIIM имеет более резкую прямую кривую, чем диод с металлическим изолятором (MIM), который здесь не рассматривается.

Металлический изолятор изолятор металлический (МИИМ) диод:Поперечное сечение диода. Уровни энергии для отсутствия смещения, прямого смещения и обратного смещения. После рисунка 1.

Уровни энергии M1 и M2 равны на рисунке выше «без смещения». Однако (тепловые) электроны не могут течь из-за высоких барьеров I1 и I2. Электроны в металле M2 имеют более высокий уровень энергии в «обратном смещении», показанном на рисунке выше, но все же не могут преодолеть изолирующий барьер. По мере увеличения «прямого смещения» на рисунке выше квантовая яма , область, где могут существовать электроны, образуется между изоляторами. Электроны могут проходить через изолятор I1, если M1 находится на том же уровне энергии, что и квантовая яма. Простое объяснение состоит в том, что расстояние через изоляторы меньше. Более подробное объяснение состоит в том, что по мере увеличения смещения вероятность наложения электронной волны от M1 на квантовую яму увеличивается. Для более подробного объяснения см. Phiar Corp. [PHI]

Устройства MIIM работают на более высоких частотах (3,7 ТГц), чем СВЧ-транзисторы. [RCJ3] Добавление третьего электрода к диоду MIIM дает транзистор.

Транзистор на квантовых точках

Транзистор на квантовых точках: Изолированный проводник может брать на себя заряд, измеряемый кулонами для больших предметов. Для изолированного проводника наноразмеров, известного как квантовая точка , заряд измеряется в электронах. Квантовая точка размером от 1 до 3 нм может принимать дополнительный заряд в один электрон. Это основа транзистора с квантовыми точками . , также известный как одноэлектронный транзистор .

Квантовая точка, помещенная на тонкий изолятор над источником, богатым электронами, известна как одноэлектронный ящик . . (Рисунок ниже (а)) Энергия, необходимая для переноса электрона, зависит от размера точки и количества электронов, уже находящихся в точке.

Электрод затвора над квантовой точкой может регулировать уровень энергии точки так, чтобы было возможно квантово-механическое туннелирование электрона (как волны) от источника через изолятор. (Рисунок ниже (b)) Таким образом, одиночный электрон может туннелировать к точке.

(а) Одноэлектронный ящик, изолированная квантовая точка, отделенная от источника электронов изолятором. (б) Положительный заряд на затворе поляризует квантовую точку, туннелируя электрон от источника к точке. (c) Квантовый транзистор:канал заменен квантовой точкой, окруженной туннельным барьером.

Если квантовая точка окружена туннельным барьером и встроена между истоком и стоком обычного полевого транзистора, как на рисунке выше (c), заряд на точке может модулировать поток электронов от истока к стоку. По мере увеличения напряжения затвора ток между истоком и стоком увеличивается до определенного значения. Дальнейшее увеличение напряжения затвора снижает ток стока. Это похоже на поведение RTD и резонансных устройств Deltt. Для создания дополнительного логического элемента требуется только один тип транзистора. [GEP]

Одноэлектронный транзистор

Одноэлектронный транзистор: Если пара проводников, сверхпроводников или полупроводников разделена парой туннельных барьеров (изолятор), окружающих крошечный проводящий остров, например квантовую точку, поток одного заряда (куперовская пара для сверхпроводников) может контролироваться с помощью ворота. Это одноэлектронный транзистор . аналогично рисунку выше (c). Увеличение положительного заряда на затворе позволяет электрону туннелировать на остров. Если она достаточно мала, низкая емкость приведет к значительному увеличению потенциала точки из-за одного электрона. Электроны больше не могут туннелировать на остров из-за электронного заряда. Это известно при кулоновской блокаде . . Электрон, который туннелирует на остров, может туннелировать в сток.

Одноэлектронные транзисторы работают почти при абсолютном нуле. Исключение составляет одноэлектронный транзистор на основе графена, имеющий островок графена. Все это экспериментальные устройства.

Транзистор из графена и углеродных нанотрубок

Графеновый транзистор: Графит, аллотроп углерода, не имеет жесткой взаимосвязанной кристаллической структуры алмаза. Тем не менее, он имеет кристаллическую структуру толщиной в один атом, так называемую двумерную структуру. Графит - это трехмерный кристалл. Однако он раскалывается на тонкие листы. Экспериментаторы, доводя это до крайности, производят пятнышки микронного размера толщиной с один атом, известные как графен . . (Рисунок ниже (а)) Эти мембраны обладают уникальными электронными свойствами. Высокая проводимость, проводимость осуществляется либо электронами, либо дырками, без какого-либо легирования. [AKG]

Листы графена могут быть разрезаны на транзисторные структуры литографическими методами. Транзисторы имеют некоторое сходство с полевым МОП-транзистором. Затвор, емкостно связанный с графеновым каналом, контролирует проводимость.

По мере масштабирования кремниевых транзисторов до меньших размеров утечка увеличивается вместе с рассеиваемой мощностью. И каждые пару лет они становятся все меньше. Графеновые транзисторы рассеивают мало энергии. И они переключаются на высокой скорости. Когда-нибудь графен может заменить кремний.

Из графена можно сделать устройства размером до шестидесяти атомов в ширину. Квантовые точки графена внутри такого маленького транзистора служат одноэлектронными транзисторами . . Предыдущие одноэлектронные транзисторы, созданные либо из сверхпроводников, либо из обычных полупроводников, работают около абсолютного нуля. Одноэлектронные графеновые транзисторы работают только при комнатной температуре. [JWA]

В настоящее время графеновые транзисторы - это лабораторная диковинка. Если через два десятилетия они будут запущены в производство, необходимо производить графеновые пластины. Первый этап, производство графена методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), был осуществлен в экспериментальном масштабе. Однако на сегодняшний день вафель нет.

(а) Графен:отдельный лист графитового аллотропа углерода. Атомы расположены в гексагональной структуре с углеродом на каждом пересечении. (б) Углеродная нанотрубка:свернутый лист графена.

Транзистор на углеродных нанотрубках: Если свернуть двумерный лист графена, полученная одномерная структура известна как углеродная нанотрубка . . (Рисунок выше (b)) Причина, по которой он считается одномерным, заключается в том, что он обладает высокой проводимостью. Электроны проходят через углеродную нанотрубку, не рассеиваясь на кристаллической решетке. Сопротивление в нормальных металлах вызвано рассеянием электронов на металлической кристаллической решетке. Если электроны избегают этого рассеяния, считается, что проводимость осуществляется за счет баллистического переноса . . Были произведены как металлические (действующие), так и полупроводниковые углеродные нанотрубки. [MBR]

Полевые транзисторы могут быть изготовлены из углеродных нанотрубок путем размещения контактов истока и стока на концах и емкостной связи затвора с нанотрубкой между контактами. Изготовлены транзисторы как p-, так и n-типа. Почему интерес к транзисторам из углеродных нанотрубок? Полупроводники на нанотрубках меньше, быстрее и потребляют меньше энергии по сравнению с кремниевыми транзисторами. [PNG]

Спинтроника

Спинтроника: Обычные полупроводники контролируют поток электронного заряда, ток. Цифровые состояния представлены током «включено» или «выключено». По мере того, как полупроводники становятся более плотными при переходе к меньшей геометрии, мощность, которая должна рассеиваться по мере увеличения тепла, увеличивается до такой степени, что ее трудно удалить. Электроны обладают свойствами, отличными от заряда, такими как спин. Предварительное объяснение спина электрона - вращение распределенного заряда электрона вокруг оси вращения, аналогичное суточному вращению Земли. Петли тока, создаваемые движением заряда, образуют магнитное поле. Однако электрон больше похож на точечный заряд, чем на распределенный. Таким образом, аналогия вращающегося распределенного заряда не является правильным объяснением спина. Электронный спин может иметь одно из двух состояний:вверх или вниз, что может представлять цифровые состояния. Точнее, квантовое число спина (ms) может быть ± 1/2 квантового числа углового момента (l). [DDA]

Управление спином электронов вместо потока заряда значительно снижает рассеиваемую мощность и увеличивает скорость переключения. Спинтроника , аббревиатура от SPIN TRansport ElectrONICS, широко не применяется из-за сложности генерации, управления и определения спина электронов. Однако энергонезависимая магнитная спиновая память высокой плотности производится с использованием модифицированных полупроводниковых процессов. Это связано с спиннинговым клапаном . магнитная считывающая головка, используемая в жестких дисках компьютеров, здесь не упоминается.

Простой магнитный туннельный переход (MTJ) показан на рисунке ниже (а), состоящий из пары ферромагнитных , сильные магнитные свойства, такие как железо (Fe), слои разделены тонким изолятором. Электроны могут туннелировать через достаточно тонкий изолятор из-за квантово-механических свойств электронов - волновой природы электронов. Ток, протекающий через MTJ, является функцией намагниченности, спиновой полярности ферромагнитных слоев. Сопротивление MTJ невелико, если магнитный спин верхнего слоя имеет то же направление (полярность), что и нижний слой. Если магнитные спины двух слоев противоположны, сопротивление выше. [WJG]

(а) Магнитный туннельный переход (MTJ):пара ферромагнитных слоев, разделенных тонким изолятором. Сопротивление изменяется в зависимости от полярности намагничивания верхнего слоя. (B) Антиферромагнитный подмагничивающий магнит и закрепленный нижний ферромагнитный слой увеличивает чувствительность сопротивления к изменениям полярности верхнего ферромагнитного слоя. Адаптировано из рисунка 3 [WJG].

Изменение сопротивления может быть усилено добавлением антиферромагнетика . , материал, имеющий выровненные, но противоположные вращения, под нижним слоем на рисунке выше (b). Этот магнит смещения булавки нижний ферромагнитный слой вращается к одной неизменной полярности. Намагниченность (спин) верхнего слоя может быть перевернута для представления данных путем приложения внешнего магнитного поля, не показанного на рисунке. На закрепленный слой не действуют внешние магнитные поля. Опять же, сопротивление MTJ является самым низким, когда спин верхнего ферромагнитного слоя имеет то же значение, что и нижний закрепленный ферромагнитный слой. [WJG]

MTJ можно дополнительно улучшить, разделив закрепленный ферромагнитный слой на два слоя, разделенных буферным слоем на рисунке ниже (а). Это изолирует верхний слой. Нижний ферромагнитный слой закреплен антиферромагнетиком, как и на предыдущем рисунке. Ферромагнитный слой наверху буфера притягивается нижним ферромагнитным слоем. Противоположности притягиваются. Таким образом, спиновая полярность дополнительного слоя противоположна таковой в нижнем слое из-за притяжения. Нижний и средний ферромагнитные слои остаются неподвижными. Верхний ферромагнитный слой может быть настроен на любую спиновую полярность за счет высоких токов в соседних проводниках (не показаны). Так хранятся данные. Данные считываются по разнице тока, протекающего через туннельный переход. Сопротивление является самым низким, если слои с обеих сторон изоляционного слоя имеют одинаковое вращение. [WJG]

(a) Разделение закрепленного ферромагнитного слоя на (b) буферным слоем улучшает стабильность и изолирует верхний ферромагнитный несинхронизированный слой. Данные хранятся в верхнем ферромагнитном слое на основе спиновой полярности (b) MTJ-ячейка, встроенная в линии считывания полупроводникового кристалла - одного из многих MTJ. По материалам [IBM]

Массив магнитных туннельных переходов может быть встроен в кремниевую пластину с проводниками, соединяющими верхнюю и нижнюю клеммы для считывания битов данных с MTJ с помощью традиционной схемы КМОП. Один такой MTJ показан на рисунке выше (b) с проводниками чтения. Не показано, другой перекрещенный массив проводников, несущих сильные токи записи, переключает магнитный спин верхнего ферромагнитного слоя для хранения данных. Ток подается к одному из многих проводников «X» и «Y». Один MTJ в массиве намагничивается под переходом проводников. Данные считываются путем измерения тока MTJ с помощью обычных кремниевых полупроводниковых схем. [IBM]

Основная причина интереса к памяти с магнитным туннельным переходом заключается в том, что она энергонезависимая . При выключении питания данные не теряются. Другие типы энергонезависимой памяти могут иметь только ограниченные циклы хранения. Память MTJ также имеет более высокую скорость, чем большинство типов полупроводниковой памяти. Сейчас (2006 г.) коммерческий продукт. [TLE]

Не коммерческий продукт или даже не лабораторное устройство - это теоретический спиновой транзистор, который однажды может сделать возможными спиновые логические вентили. Спиновый транзистор является производной теоретического спинового диода. В течение некоторого времени было известно, что электроны, протекающие через ферромагнетик кобальт-железо, становятся поляризованными по спину. Ферромагнетик действует как фильтр, пропускающий преимущественно электроны с одним спином. Эти электроны могут течь в соседний немагнитный проводник (или полупроводник), сохраняя спиновую поляризацию на короткое время, наносекунды. Однако спин-поляризованные электроны могут распространяться на значительное расстояние по сравнению с размерами полупроводника. Спин-поляризованные электроны могут быть обнаружены ферромагнитным слоем никель-железо, смежным с полупроводником. [DDA] [RCJ2]

Также было показано, что поляризация электронного спина возникает, когда свет с круговой поляризацией освещает некоторые полупроводниковые материалы. Таким образом, должна быть возможность инжектировать спин-поляризованные электроны в полупроводниковый диод или транзистор. Интерес к транзисторам и затворам на основе спина вызван недиссипативной природой распространения спина по сравнению с диссипативным потоком заряда. По мере уменьшения размера обычных полупроводников рассеиваемая мощность увеличивается. В какой-то момент уменьшение масштаба больше не будет практичным. Исследователи ищут замену традиционному транзистору на основе потока заряда. Это устройство может быть основано на спинтронике. [RCJ]

ОБЗОР:

• Поскольку оксид затвора MOS становится все тоньше с каждым поколением транзисторов меньшего размера, чрезмерная утечка затвора вызывает неприемлемое рассеяние мощности и нагрев. Предел уменьшения традиционной геометрии полупроводников уже виден.
• Резонансный туннельный диод (RTD):в RTD используются квантовые механические эффекты, которые приводят к ухудшению качества обычных полупроводников. Поток электронов через достаточно тонкий изолятор обусловлен волновой природой электронно-частичного волнового дуализма. RTD работает как усилитель.
• Двухслойный туннельный транзистор (Deltt):Deltt - это транзисторная версия RTD. Смещение затвора контролирует способность электронов туннелировать через тонкий изолятор из одной квантовой ямы в другую (от истока к стоку).
• Транзистор с квантовыми точками. Квантовая точка, способная удерживать заряд, окружена тонким туннельным барьером, заменяющим затвор обычного полевого транзистора. Заряд квантовой точки управляет истоком, отводящим ток.
• Спинтроника:электроны обладают двумя основными свойствами:зарядом и вращением. Обычные электронные устройства контролируют поток заряда, рассеивая энергию. Устройства спинтроники манипулируют спином электрона - распространяющимся недиссипативным процессом.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист "Электропроводность в полупроводниках"