Квантово-размерный эффекты, их применение в радиоэлектронных приборах

В таком случае будет меняться положение энергетических уровней в квантовой точке — появляется принципиальная возможность «включать» и «выключать» механизм резонансного туннелирования.

Центральный верхний электрод транзистора круглой формы соединяется с нижним электродом через двухбарьерную резонансно-туннельную структуру с двумерным электронным газом в центре. Квантовая точка в этой структуре образуется с помощью третьего электрода — затвора, кольцом окружающего центральный верхний электрод. При подаче на него отрицательного потенциала электроны из области двумерного газа под затвором вытесняются к центру структуры. Таким способом под центральным электродом может быть сформирована квантовая точка, поперечные размеры которой, а, следовательно, и положение энергетических уровней в ней определяются величиной отрицательного напряжения на затворе. Сдвиг уровней приводит к изменению условий резонансного туннелирования. Положение участков отрицательного дифференцального сопротивления в вольт-амперной характеристике между центральным и нижним электродами зависит от напряжения на затворе — такой прибор имеет более широкие функциональные возможности, чем просто резонансно-туннельный диод.

Рис.

7. Вольтамперная характеристика резонансно-туннельной структуры для простейшей модели (штриховая кривая) и с учетом уширения уровней (сплошная кривая).

На работе резонансно-туннельного транзистора отрицательно сказывается наличие неконтролируемых примесей и дефектов в области квантовой точки и туннельных барьеров (рис.

7). Различное положение примесных атомов в области квантовой точки для разных транзисторов приводит из-за искажений локального потенциала к значительному разбросу характеристик транзисторов. Кроме того, через электронные атомные уровни примеси тоже может происходить резонансное туннелирование — вольт-амперная характеристика транзистора будет иметь в этом случае пики, положение которых не зависит от напряжения на затворе. Но резонансно-туннельные транзисторы потребляют очень малую мощность на одно переключение — в этом их преимущество.

5.КВАНТОВО-ТОЧЕЧНЫЕ КЛЕТОЧНЫЕ АВТОМАТЫ И БЕСПРОВОДНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ЛОГИКА

Потребности в разработке логических устройств для нанокомпьютеров с очень высокой плотностью логических элементов и с максимально возможно низким потреблением энергии на одно переключение привели к использованию в логических элементах проводящих островков очень малого размера — квантовых точек — отдельных кружках или изолированных плоских фигурах субмикронного размера. В таких приборах для реализации вычислений логических функций используют массивы связанных взаимодействующих квантовых точек. Эти приборы называют квантово-точечными клеточными автоматами.

Основу прибора составляет ячейка, состоящая из четырех или пяти квантовых точек. На рис. 8 представлена ячейка из пяти квантовых точек: четыре точки расположены в углах квадрата, а одна — в центре. В ячейку при помощи внешнего напряжения через дополнительный электрод вводятся два избыточных электрона, и ячейка приобретает электрический заряд.

Рис. 8. Различные конфигурации ячеек квантово-точечных автоматов

Квантовые точки в ячейке располагаются таким образом, что возможно туннелирование только через центральную точку. Из-за электростатического отталкивания между избыточными электронами вся система будет иметь минимальную энергию только в том случае, если электроны расположатся как можно дальше друг от друга, т. е. в углах квадрата, соединенных диагонально. Т.к. таких возможных положений всего два, то система имеет всего два устойчивых состояния (две поляризации), и, следовательно, одно из этих состояний можно считать логической единицей («1»), а второе — логическим нулем («0»). При переходе системы из одного устойчивого состояния в другое меняются поляризация системы и распределение электрических полей вокруг ячейки. С помощью дополнительных электродов, связанных с ячейкой емкостной связью, можно навязать ячейке необходимое состояние и перевести ее в состояние «1» или «0». Если рядом с первой ячейкой расположить вторую (в которой также находится два дополнительных электрона), то электростатическое поле первой ячейки заставит электроны располагаться так, чтобы обеспечить минимум электростатической энергии всей системы. Составляя комбинации из расположенных разным образом ячеек, можно реализовать разнообразные логические функции и выполнить необходимые логические преобразования и вычисления. На рис.

9 представлен пример комбинации ячеек, при которой состояние на выходе определяется большинством состояний на входе.

Рис.

9. Комбинации ячеек квантово-точечного автомата, при которых состояние на выходе определяется большинством состояний на входе На основе таких элементов возможно создание нанокомпьютера.

Важно отметить, что взаимное расположение ячеек обеспечивает передачу логического сигнала без перемещения зарядов вдоль цепочки — в бестоковом режиме, только за счет передачи вдоль цепочки состояния поляризации.

Преимущества логических устройств на основе квантово-точечных клеточных автоматов состоят в том, что по сравнению с аналогичными устройствами на основе полевых транзисторов требуется значительно меньший объем активной области. Например, полный сумматор на основе клеточных автоматов с размером точки 20нм можно расположить на площади около 1мкм2, в то время как такую же площадь занимает всего лишь один полевой транзистор. Для построения такого же сумматора на основе полевых транзисторов требуется примерно 40 транзисторов.

Вычислительный процесс в приборах на основе клеточных автоматов осуществляется при переходе всей совокупности ячеек в состояние с минимальной энергией — в основное состояние. Поскольку сложные вычислительные устройства должны содержать большое число ячеек, то состояние с минимальной энергией можно получить разными способами. Это может приводить к ошибкам в вычислениях. Также такие системы чувствительны к внешним воздействиям и поэтому требуют строгого контроля внешних условий. При повышении температуры вычислительный процесс может быть нарушен. Для ячеек, у которых размер одной квантовой точки ~20нм, изменение энергии при перезарядки точки составляет величину ~1мэ

В (примерно 1/20 kT при комнатной температуре). Еще одна проблема, которая должна быть решена для успешной работы устройств на основе клеточных автоматов, состоит в том, что поскольку электростатическое поле ячейки влияет на соседние ячейки как в направлении выхода устройства, так и в направлении входа, то из-за случайных воздействий возможно распространение сигнала не только от входа к выходу, но и наоборот. Для устранения этого недостатка предложены устройства на основе квантовых точек, у которых направление передачи сигнала определяется внешним электрическим полем. Практическое изготовление устройств на основе клеточных автоматов находится в самой начальной стадии и требует разрешения целого ряда проблем, в основном технологических.

1. Сугано Т., Икома Т., Такэиси Е.

Введение

в микроэлектронику, М., 1988.

2. Тугов Н. М., Глебов Б. А., Чарыков Н. А. Полупроводниковые приборы. М.: Энергоатомиздат, 1990.

3. Парфенов В. В., Закиров Р. Х. Физика полупроводников: Методич. пособие к практикуму по физике твердого тела. Казань: Изд-во КГУ, 2001.

4. Шик А. Я., Бакуева Л. Г., Мусихин С. Ф., Рыков С. А. Физика низкоразмерных систем, СПб, Наука, 2001.

5. Пасынков В. В., Сорокин В. С. Материалы электронной техники, СПб, 2003.

Сугано Т., Икома Т., Такэиси Е.

Введение

в микроэлектронику, М., 1988.

Сугано Т., Икома Т., Такэиси Е.

Введение

в микроэлектронику, М., 1988.

Шик А.Я., Бакуева Л. Г., Мусихин С. Ф., Рыков С. А. Физика низкоразмерных систем, СПб, Наука, 2001.

Парфенов В.В., Закиров Р. Х. Физика полупроводников: Методич. пособие к практикуму по физике твердого тела. Казань: Изд-во КГУ, 2001.

Тугов Н.М., Глебов Б. А., Чарыков Н. А. Полупроводниковые приборы. М.: Энергоатомиздат, 1990.

Тугов Н.М., Глебов Б. А., Чарыков Н. А. Полупроводниковые приборы. М.: Энергоатомиздат, 1990.

Пасынков В.В., Сорокин В. С. Материалы электронной техники, СПб, 2003.