2746

Рис. 1.12. ВАХ двухбарьерной структуры с квантовым колодцем

Особенностью такой ВАХ является наличие на ней участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением, благодаря чему на основе двухбарьерных структур можно создавать перспективные электронные схемы.

1.1.3. Эффект квантовой интерференции

Электронные волны в низкоразмерных структурах распространяются со своими амплитудами, частотами (длинами волн), волновыми векторами (скоростями) и фазами. Если волна распространяется свободно, то после ее разделения на части, можно получить когерентные волны, которые могут интерферировать друг с другом. Расстояние, которое проходит две или несколько волн, сохраняя когерентность, называют длиной когерентности. При неупругих рассеяниях волны утрачивают когерентность.

Квантовую интереференцию волн, например, можно наблюдать в проводящем (полупроводниковом) низкоразмерном элементе, показанном на рис. 1.13.

21

Рис. 1.13. Иллюстрация к пояснению эффекта квантовой интерференции

Элемент имеет вход, разветвление (1 и 2) и выход. Когда длина когерентности больше размеров элемента, электронная волна на входе делится на две когерентные волны, которые, распространяясь вдоль ветвей 1 и 2, интерферируют на выходе. В результате интерференции волны либо гасят друг друга и электрический ток на выходе близок к нулю, если фазы противоположны; либо усиливают друг друга и электрический ток на выходе максимальный в случае совпадения фаз.

1.1.4. Спиновые эффекты

Спиновые эффекты обычно возникают в ферромагнетиках, у которых плотности вакантных состояний N для электронов со спинами вверх и электронов со спинами вниз примерно одинаковы, а энергии E этих состояний сильно различаются

(рис. 1.14).

22

Рис. 1.14. Упрощенные зонные структуры немагнитной и ферромагнитной гранул, между которыми происходит обмен

электронами

Смещение правой энергетической подзоны в ферромагнитной грануле вниз по шкале энергий при температурах ниже температуры Кюри ферромагнетика обусловливает увеличение в ней общего числа заполненных электронных состояний, в результате чего суммарный спиновый магнитный момент электронов в правой подзоне становится больше, чем в левой, что, в свою очередь, ведет к появлению у ферромагнитной гранулы собственного магнитного момента (намагниченности). Заселенность энергетических подзон электронами с разной ориентацией спина определяет как спиновую поляризацию инжектируемых из ферромагнитной гранулы электронов, так и особенности транспорта носителей заряда через нее.

К спиновым эффектам относят гигантское магнитосопротивление и туннельное магнитосопротивление, являющиеся следствием особенностей транспорта носителей заряда, контролируемого спином электронов в наноразмерных структурах. Эти эффекты составляют основу нового направления науки и

23

техники − спинтроники, занимающейся созданием элементов, приборов и устройств, в которых для физического представления информации используется как заряд электрона, так и его спин.

Эффект гигантского магнитосопротивления наблюдается в тонких металлических пленках, состоящих из чередующихся ферромагнитных и проводящих немагнитных слоев, и заключается в изменении электрического сопротивления таких пленок при изменении взаимного направления намагниченностей магнитных слоев внешним магнитным полем. Эффект проявляется при пропускании тока как в плоскости этих слоев, так и перпендикулярно им. Когда намагниченности чередующихся слоев противоположно направлены, сопротивление пленок является наибольшим. В этом случае электроны со спинами, направленными вдоль намагниченности одного слоя, не могут перемещаться по материалу с противоположным направлением намагниченности, поскольку в нем отсутствуют приемлемые для них энергетические состояния. Магнитосопротивление уменьшается с увеличением напряженности внешнего магнитного поля, которое выстраивает магнитные моменты ферромагнитных слоев в одном направлении, преодолевая обменную связь, выгодную для антипараллельного расположения моментов (для данной толщины немагнитного слоя). Выстраивание магнитных моментов происходит до тех пор, пока магнитное поле не сравняется по величине с полем обменной связи. Последнее обстоятельство соответствует минимальному сопротивлению пленки.

Эффект туннельного магнитосопротивления схож с эффектом гигантского магнитосопротивления, только он обнаруживается в структурах, в которых промежуточным слоем между феромагнитными слоями является не немагнитный металл, а достаточно тонкий слой диэлектрика, чтобы создать возможность для туннелирования электронов через диэлектрический барьер. Вероятность туннелирования электронов существенно зависит от взаимной ориентации намагниченностей слоев.

24

На основе спин-зависимого транспорта носителей зарядов можно создавать спинтронные приборы. Поскольку переворот спина, в отличие от перемещения заряда, практически не требует затрат энергии и происходит очень быстро (за несколько пикосекунд), то следует ожидать, что такие приборы будут иметь сверхвысокое быстродействие при затратах значительно меньшей энергии, чем традиционные электронные приборы, где используются электрические свойства веществ, а управление осуществляется приложенным электрическим напряжением.

В настоящее время разработано ряд спинтронных приборов, наиболее известные из которых представлены в разделе

5.

1.2. Контрольные вопросы

1.Как Вы понимаете термин «наноэлектроника»?

2.В чем отличие низкоразмерных элементов от наноразмерных элементов?

3.Какие объекты называют двумерными, одномерными

инульмерными?

4.Назовите структуры, в которых возможно квантовое ограничение.

5.Сформулируйте понятие «туннелирование». Чем определяется туннелирование электронов в низкоразмерной структуре?

6.Поясните значение понятия «одноэлектронное туннелирование». Какие стадии процесса одноэлектронного туннелирования Вам известны?

7.Что понимают под кулоновским напряжением? Как оно рассчитывается?

8.Что такое кулоновская блокада?

9.При каких условиях наблюдается одноэлектронное туннелирование в однобарьерных структурах?

10.Как объясняется ВАХ однобарьерной структуры?

25

11.Что означает понятие «кулоновская лестница»?

12.Почему на практике применяются двухбарьерные, а не однобарьерные структуры?

13.Охарактеризуйте эффект резонансного туннелирова-

ния.

14.Дать краткую характеристику эффекта квантовой интерференции.

15.Дайте определение понятию «спинтроника».

16.На каких физических эффектах базируется спинтро-

ника?

17.Какой физический эффект называют эффектом гигантского магнитосопротивления?

18.В каких структурах может наблюдаться эффект гигантского магнитосопротивления?

19.Чем отличается эффект туннельного магнитосопротивления от эффекта гигантского магнитосопротивления?

II. НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

Рассмотренные ранее фундаментальные физические эффекты благодаря своим специфическим особенностям и тому, что они имеют место только в структурах с пониженной размерностью, позволяют создавать приборы нового поколения, отличающиеся от приборов традиционной электроники высокой производительностью, низким энергопотреблением и сверхминиатюрными размерами. Примеры и описание принципов функционирования таких приборов содержится в данном разделе пособия.

26

2. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ № 4, 5 ПРИБОРЫ НА ОДНОЭЛЕКТРОННОМ ТУННЕЛИРОВАНИИ

2.1. Краткие теоретические сведения

2.1.1. Одноэлектронный транзистор

Схематическое изображение (а), эквивалентная схема (б) и условные обозначения в горизонтальном (в) и вертикальном (г) положениях одноэлектронного транзистора показаны на рис. 2.1.

а)

б)

Рис. 2.1. Одноэлектронный транзистор

27

Рис. 2.1. Одноэлектронный транзистор (продолжение)

В отличие от схемы двухбарьерной структуры, в схеме одноэлектронного транзистора сформирован дополнительный электрод З (затвор). Здесь электрод, с которого осуществляется инжекция одиночных электронов, называют истоком И, а электрод, куда стекают одиночные электроны, − стоком С. Исток и сток отделены от наноостровка НО диэлектрической средой, образующей потенциальные барьеры. Между стоком и истоком приложено напряжение U, а между затвором и истоком − напряжение UЗ.

Обсудим принцип действия одноэлектронного транзистора, у которого наностровок обладает размерами, значительно превышающими длину волны де Бройля электронов, то есть не является квантовой точкой. Принцип действия такого транзистора удобно рассмотреть, пользуясь его эквивалентной схемой (рис. 2.1, б), где электрическая связь между НО и З и потенциальные барьеры между НО и электродами представлены емкостью СЗ и параллельно включенными емкостями (СИО и СОС) и нелинейными резисторами (RИО и RОС) соответственно. Анализ эквивалентной схемы показывает, что потенциал электрически нейтрального НО (избыточные электроны в НО отсутствуют) вычисляется по формуле

В грубом приближении можно считать, что емкости не изменяются и имеют один и тот же порядок величины, а нели-

28

нейные резисторы являются очень большими по номиналу при кулоновской блокаде и сравнительно небольшими в отсутствие кулоновской блокады. Тогда потенциал UO, согласно (8), в основном зависит от напряжений U и UЗ.

Когда потенциалы U = UЗ = UO = 0, на энергетической диаграмме энергия электронов E в зависимости от координаты x энергетические уровни Ферми в областях истока EФИ, наноо-

стровка EФО и стока EФС совпадают, то есть EФИ = EФО = EФС

(рис. 2.2, а).

а)

б)

И − исток; С − сток; Д − диэлектрик; О − наноостровок

Рис. 2.2. Энергетические диаграммы одноэлектронного транзистора при UО = 0 (а), UО < UК (б) и UО ≥ UК (в); ВАХ одноэлектронного транзистора при различных

потенциалах на затворе: UЗ = 0 − 1 и UЗ ≥ UЗО − 2 (г); зоны кулоновской блокады для одноэлектронного транзистора,

укоторого электрический заряд островка равен 0 − 3, -e − 4

и+e − 5 (д)

29

в)

И − исток; С − сток; Д − диэлектрик; О − наноостровок

Рис. 2.2. Энергетические диаграммы одноэлектронного транзистора при UО = 0 (а), UО < UК (б) и UО ≥ UК (в); ВАХ одноэлектронного транзистора при различных

потенциалах на затворе: UЗ = 0 − 1 и UЗ ≥ UЗО − 2 (г); зоны кулоновской блокады для одноэлектронного транзистора,

укоторого электрический заряд островка равен 0 − 3, -e − 4

и+e − 5 (д) (продолжение)

Электрический ток через транзистор не протекает.

При U > 0 и UЗ > 0 потенциал UО > 0. Уровни EФС и EФО смещаются вниз на величины eU и eUО соответственно (рис.

2.2, б). Энергетическая диаграмма на рис. 2.2, б соответствует случаю, когда UО меньше кулоновского потенциала UК, который определяется по формуле (2), где С = СЗ + СИО + СОС − ем-

30