Кмоп-структуры на унт
КМОП-структура (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) представляет собой пару полевых транзисторов с изолированным затвором и каналами разной проводимости. Отличительной особенностью электронных устройств на КМОП является очень малое энергопотребление в статическом режиме. В большинстве случаев можно считать, что энергия потребляется только во время переключения из одного состояния в другое. Подавляющее большинство современных логических микросхем, в том числе процессоров, имеет в своем составе инверторы на основе КМОП-структуры.
Известно, что ширина запрещенной зоны большинства УНТ не превышает 1 эВ. Это обстоятельство позволяет создавать инверторы на комплементарных парах транзисторов, используя в них для изготовления затворов металлы с различной работой выхода, например, палладий и алюминий. Структура такого инвертора показана на рис. 3.14а. На подложке из кремния 1, покрытого слоем окисла 2, сформированы металлические электроды 3, 4 и 5, на которые сверху помещена полупроводниковая УНТ 6. После нанесения тонкого слоя подзатворного диэлектрика 7 формируют затворы из палладия Pd и из алюминия Al. Потенциалы закрывания UЗАКР полевых транзисторов с такими затворами отличаются больше, чем на половину ширины запрещенной зоны нанотрубки.
а) б) в)
Рис. 3.14. Инвертор на комплементарных УНТ транзисторах: а) структура инвертора;
б) эквивалентная электрическая схема; в) передаточная характеристика
Инвертор работает следующим образом. Когда на вход инвертора подается отрицательное напряжение UВХ,0 ≈ – 1 В, оно оказывается существенно ниже потенциала закрывания UЗАКР,1 транзистора с затворным электродом из палладия, поэтому часть УНТ под этим электродом становится проводящей с проводимостью р-типа. В то же время входное напряжение UВХ,0 ≈– 1 В приблизительно равно потенциалу закрывания UЗАКР,2 транзистора, затворный электрод которого изготовлен из алюминия, поэтому часть УНТ под этим электродом становится не проводящей, т. е. транзистор закрывается. В результате напряжение на выходе инвертора приближается к напряжению питания + U.
Когда на вход инвертора подано положительное напряжение UВХ,1 ≈ + 1 В, оно оказывается близким к потенциалу закрывания UЗАКР,1 транзистора с затворным электродом из палладия, и поэтому часть УНТ под этим электродом закрывается. В то же время входное напряжение UВХ,1 ≈ 1 В существенно выше потенциала закрывания UЗАКР,2 транзистора с затворным электродом из алюминия, и поэтому часть УНТ под этим электродом становится электропроводящей с проводимостью n-типа. В результате напряжение на выходе инвертора приближается к напряжению питания – U. Зависимость выходного напряжения инвертора от напряжения на входе показана на рис. 3.14в.
Логические элементы и триггеры на унт
На основе нанотранзисторов с каналом из УНТ по известным из классической электроники принципам можно строить триггеры и логические элементы, а также генераторы импульсов, усилители слабых сигналов и многие другие устройства. На рис. 3.15 показана одна из возможных схем триггера на транзисторах из УНТ. При подаче на вход триггера напряжения UВХ ≈ – 1,5 В транзистор на УНТ2 открыт, UВЫХ ≈ 0 и транзистор УНТ1 закрыт. Когда UВХ ≈ 0, транзистор на УНТ2 закрыт, UВЫХ ≈ – 1,5 В и транзистор на УНТ1 открыт.
а) б) в)
Рис. 3.15. Эквивалентные схемы электронных устройств: а) триггер; б) схема логического умножения (конъюнкции) с тремя входами; в) схема логического сложения (дизъюнкции)
Поскольку УНТ, как правило, достаточно длинны, то в качестве резистора в схеме на рис 3.15а можно использовать продолжение той же самой углеродной нанотрубки, из которой сформирован канал транзистора, но без затвора. Кроме того, над одной нанотрубкой можно сформировать несколько затворов, что позволяет реализовать схемы логического умножения и схемы логического сложения. Варианты двух таких логических элементов показаны на рис. 3.15б и 3.15в.