8.3. Задание на выполнение работы

1. Ознакомиться с полуклассической теорией одноэлектронного туннелирования.

2. Выбрать вариант задания из таблицы 3.

3. Составить собственный расчетный файл.

4. Проверить выполнение температурного и квантового флуктуационного критерия работоспособности устройства на туннельном переходе.

5. Определить температурный диапазон работоспособности устройства.

6. Провести модернизацию устройства (изменить конструкцию, подобрать материалы) с целью увеличения рабочей температуры.

7. Предложить технологию изготовления модернизированного устройства.

8. Ответить на вопросы лабораторной работы.

9. Составить отчет с выводами и рекомендациями.

8.4. Вопросы на защиту

1. Одноэлектронное туннелирование в симметричных и несимметричных двухпереходных системах.

2. Квантовые эффекты в туннельных структурах.

3. Приборы на постоянных и временных квантовых точках.

Литература

1. Лихарев К. К. //Микроэлектроника. 1987. Т. 16. Вып. 3. с. 195-209.

2. Аверин Д. В., Лихарев К. К. //ЖЭТФ. 1986. Т. 90. Вып. 2. с. 733-743.

3. Герасименко Н. Н., Пархоменко Ю. Н. Кремний – материал наноэлектроники. Москва: Техносфера, 2007.

4.Ч. Пул, Ф. Оуэнс Нанотехнологии. Москва: Техносфера, 2005.

5. Часть 2. Одноэлектронный транзистор

Описание модели

Будем использовать крайне упрощенную модель однопереходного транзистора.

Считаем, что структура прибора соответствует рис. 8.1. В качестве квантовой точки используется проводящая частица в форме диска или сферической формы, радиуса r. Как было сказано, для металлической частицы в данных условиях эффекты одноэлектронного туннелирования могут наблюдаться только при очень низкой температуре. Для полупроводниковой частицы с собственной проводимостью характерно наличие дискретных уровней энергии и модель значительно усложняется, так как необходимо рассматривать квантовое туннелирование электронов через дискретные уровни энергии. Поэтому в нашей модели будем считать, что квантовая точка представляет собой частицу полупроводника имеющую частично свободную зону, т. е. имеющую незначительное количество свободных носителей. Таким образом, мы условно считаем, что плотность состояний в зоне достаточно мала по сравнению с металлом, но достаточна для туннелирования электронов через уровни энергии в зоне. Схема однолектронного транзистора используемого в модели приведена на рис. 8.5.

Рис. 8.5. Одноэлектронный транзистор

Оценочные расчеты

Диэлектрическая проницаемость диоксида кремния

Диаметр квантовой точки, м

Толщина туннельного диэлектрика между истоком и квантовой точкой, м

Диэлектрик - нитрид кремния

Толщина туннельного диэлектрика между квантовой точкой и стоком, м

Диэлектрик - нитрид кремния

Толщина диэлектрика между затворным электродом и квантовой точкой, м

Диэлектрик - оксид кремния

Емкость сферической частицы, Ф

Емкость истока, Ф

Емкость стока, Ф

Емкость затвора, Ф

Сопротивление истока, Ом

Сопротивление стока, Ом

Сопротивление затвора, Ом

Квантовое сопротивление, Ом

Суммарная емкость КТ, Ф

Напряжение кулоновской блокады для истока, В

Напряжение кулоновской блокады для стока, В

Напряжение VD, VG

Заряд на КТ, Кл

Падение напряжения на туннельном диэлектрике истока, В

Падение напряжения на туннельном диэлектрике стока, В

Темп туннелирования на истоке, с

Темп туннелирования на стоке, с

Проверим выполнение квантового условия для КТ радиусом 3 нм, толщиной барьера истока, 5 нм, толщиной барьера стока 10 нм, толщиной затворного окисла 2 нм.

Условие выполняется.

Найдем рабочую температуру прибора

Прибор может быть работоспособен при комнатных температурах.

Имеем эквивалентную схему, приведенную на рис.8.6.

Рис. 8.6. Эквивалентная схема структуры

Рис. 8.7. Зависимость емкости истока, Ф (а) и стока, Ф (б) от радиуса КТ и толщины диэлектрика

Заряд КТ, Кл

Рис. 8.8. Зависимость заряда КТ, Кл от напряжения на истоке и стоке

Рис. 8.9. Зависимость темпа туннелирования на истоке и стоке (с) от напряжения на КТ (В)

ВАХ одноэлектронного транзистора

Подберем напряжение сток-исток при нулевом напряжении на затворе, соответствующее заряду, равному одному (или нескольким) электрону.

Это напряжение равно:

При этом напряжение на квантовой точке будет:

При данном напряжении сток-исток подберем напряжение на затворе соответствующее n+1 электрону (в данном случае 2-му):

Соответствующее напряжение на КТ:

Аналогично, для n+2 электрона:

Рис. 8.10. Зависимость количества электронов на КТ от напряжения на затворе, при напряжении исток-сток 0,67 В

Проведем преобразования, чтобы переменной было только напряжение на затворе:

Рис. 8.11. Темп туннелирования на истоке и стоке, с от напряжения на затворе, В

Излом ВАХ наблюдается при напряжениях на затворе VG = 0,66; 1,3; 1,99 В, соответствующих туннелированию 2-го, 3-го и 4-го электронов. Вблизи этих напряжений темп туннелирования Ais(VG). В остальном диапазоне напряжений темп туннелирования Adr(VG). Умножая темп туннелирования на заряд электрона и на множитель, переводящий ток в единицы нА получим ВАХ транзистора.

Рис. 8.12. ВАХ одноэлектронного транзистора. Ось ординат - ток транзистора, нА, ось абцисс - напряжение на затворе, В

Частота туннелирования электронов, Гц

Мощность переключения транзистора, Вт

Как видно из рис. 8.12 ВАХ транзистора имеет ступенчатый вид. Это позволяет использовать данные приборы в цифровых устройствах, в том числе, в устройствах "многоуровневых логик". В частности на одноэлектронном транзисторе, например, может быть собран входной каскад АЦП.