2746

а)

б)

Рис. 4.1. Конструкции кольцевого квантового интерференционного транзистора

Через половинки этого кольца от истока к стоку распространяются электронные волны. Затвор при приложении к нему напряжения создает электрическое поле, которое изменяет волновой вектор электронов, распространяющихся под затвором в виде волн. В результате этого между электронными волнами, которые приходят к стоку по обоим половинам кольца, возникнет разность фаз

61

где kЗ − волновой вектор электронов в подзатворной области, зависящий от напряжения на затворе; k − волновой вектор электронов во всех других местах, не зависящий от напряжения на затворе; L − длина пути, который проходят электроны под затвором.

Если разность фаз равна 2πn (n − целое число), электронные волны интерферируют, усиливают друг друга и электрический ток стока на выходе максимальный. Ток стока синусоидально зависит от потенциала на затворе.

Конструкция кольцевого квантового интерференционного транзистора, где разность фаз между электронными волнами создается с использованием магнитного поля, показана на рис. 4.2, б.

Внутри кольца расположен длинный соленоид, создающий магнитный поток Φ. Магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости кольца. Ток на выходе кольца определяется интерференцией электронных волн, разность фаз между которыми рассчитывается как

где Ф0 = h/e – квант магнитного потока.

Разность фаз возникает вследствие взаимно противоположных направлений векторного потенциала магнитного поля А (обозначен стрелками на рис. 4.1, б) по отношению к движению электронов в разных областях кольца.

4.1.2. Квантовый интерференционный транзистор, основанный на электронном согласующем волноводе

Конструкция квантового интерференционного транзистора, основанного на электронном согласующем волноводе, показана на рис. 4.2.

62

Рис. 4.2. Квантовый интерференционный транзистор, основанный на электронном согласующем волноводе

Здесь электронная волна разделяется на две волны, одна из которых движется от истока к стока, а другая сначала движется от истока к затвору. Когда к затвору приложен отрицательный электрический потенциал, он создает электрическое поле. Это поле отражает движущуюся к затвору электронную волну, изменяя ее направление движения на противоположное. Электронная волна станет двигаться к стоку. Достигнув сток по двум разным путям 1 и 2, электронные волны интерферируют. Результат интерференции определяется разностью фаз между электронными волнами, которая, в свою очередь, определяется расстоянием L. Расстояние L обратно пропорционально отрицательному потенциалу на затворе, а малые изменения этого потенциала могут приводить к существенным изменениям тока стока.

Рассмотренные квантовые интерференционные транзисторы характеризуются высоким быстродействием. Их частота переключений при скорости электронных волн 105 м/с и расстоянии 2L = 100 нм может составлять 100 ГГц и зависит главным образом от времени перезарядки электрических емкостей затвора и стока. Кроме того, такие транзисторы могут обладать большими коэффициентами усиления.

63

К недостаткам квантовых интерференционных транзисторов можно отнести, с одной стороны, низкие рабочие температуры, что связано с необходимостью отсутствия рассеяния носителей заряда в рабочей области прибора, а, с другой стороны − малые рабочие токи и, как следствие, очень низкую помехоустойчивость.

4.2. Контрольные вопросы

1.На каком эффекте работает квантовый интерференционный транзистор?

2.Какие типы конструкций квантового интерференционного транзистора Вы знаете?

3.В чем заключается сущность работы квантового интерференционного транзистора, в котором используется принцип кольцевого интерферометра?

4.Расскажите о работе квантового интерференционного транзистора, основанного на электронном согласующем волноводе.

5.Перечислите достоинства и недостатки квантового интерференционного транзистора.

5. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ № 9, 10 ПРИБОРЫ НА СПИНОВЫХ ЭФФЕКТАХ

5.1. Краткие теоретические сведения

5.1.1. Спиновый вентиль

Структура первого спинтонного устройства, получившего название «спиновый вентиль» или «спиновый клапан», представлена на рис. 5.1.

64

Эл1 и Эл2 − электроды; СФМ − «свободный» ферромагнетик; НМ − немагнитный металл; ФФМ − «фиксированный» ферромагнетик

Рис. 5.1. Структура спинового вентиля. Стрелкой показано направление намагниченности магнито-жесткого ферромагнетика

Основу спинового вентиля составляют магнитожесткий («фиксированный») и магнитомягкий («свободный») ферромагнитные слои, разделенные слоем из немагнитного металла. Намагниченность магнитожесткого материала зафиксирована, а магнитомягкого материала − может изменяться внешним полем относительно малой напряженности.

Работа спинтронного клапана заключается в управлении его электрическим сопротивлением под действием внешнего магнитного поля через изменение ориентации спинов в «свободном» ферромагнитном слое. Сопротивление максимально при антипараллельных направлениях намагниченности в ферромагнитных слоях и минимально, когда намагниченности ферромагнетиков сонаправлены.

5.1.2. Спин-вентильный транзистор

Существуют различные варианты спинтронных транзисторов. Ниже приведены некоторые из них.

65

Один из первых был создан спин-вентильный транзистор, схема и энергетическая диаграмма которого продемонстрированы на рис. 5.2.

а)

б)

Рис. 5.2. Структура (а) и энергетическая диаграмма (б) спин-вентильного транзистора

66

Базой такого транзистора является многослойный спиновый вентиль, который располагается между двумя областями кремния n-типа, образующими эмиттер и коллектор. Спиновый вентиль содержит два ферромагнитных слоя NiFe и Со с прослойкой из немагнитного металла Au (рис. 5.2, a).

Вследствие различия коэрцитивных сил ферромагнетиков NiFe (~ 400 А/м) и Со (~ 1600 А/м) можно получить параллельную и антипаралельную ориентацию намагниченностей ферромагнитных слоев в широком интервале температур, которая изменяется переключением магнитного поля.

На границах раздела между базой и полупроводниками возникают барьеры Шоттки. Барьер Pt-Si приблизительно на 0,1 эВ выше барьера Au-Si. К эмиттерному переходу прикладывается прямое напряжение, а к коллекторному переходу − обратное.

На энергетической диаграмме (рис. 5.2, б), представляющей собой зависимость энергии электронов от координаты на перпендикуляре к плоскости слоев, потенциалы Шоттки обозначены через φШ1 и φШ2, а перепады напряжений между базой и эмиттером и между базой и коллектором − через UЭБ и UБК соответственно. Штриховыми вертикальными линиями обозначены уровни Ферми EФ в эмиттере, базе и коллекторе.

При приложении прямого напряжения к эмиттерному переходу UЭБ устанавливается такой ток IЭ, при котором электроны инжектируются в базу перпендикулярно слоям спинового вентиля. При этом в базу попадают только «горячие» электроны с энергией выше энергии уровня Ферми, так как на границе Pt-Si имеет место барьер Шоттки. Эти электроны ориентируются спинами вдоль направления намагниченности «свободного» ферромагнитного слоя, после чего проходят сквозь очень тонкий не магнитный слой золота и проникают в «фиксированный» ферромагнитный слой кобальта. Далее электроны либо проходят через «фиксированный» слой, если спины сонаправлены с намагниченностью этого слоя, либо не проходят,

67

образуя ток базы IБ, если спины и намагниченность антипараллельны. В базе электроны сначала теряют часть своей кинетической энергии из-за рассеивания, а потом приобретают ее, ускоряются и преодолевают барьер Шоттки на контакте Au-Si благодаря обратному напряжению, приложенному к коллекторному переходу UБК. Таким образом, ток коллектора IК существенно зависит от взаимной ориентации намагниченностей «свободного» и «фиксированного» слоев, а сама ориентация может изменяться внешним магнитным полем.

Поведение коллекторного тока IК в зависимости от напряженности внешнего магнитного поля Н показано на рис.

5.3.

Рис. 5.3. Коллекторный ток спин-вентильного транзистора как функция напряженности внешнего магнитного поля

При напряженности Н, превышающей коэрцитивную силу кобальта, через спин-вентильный транзистор течет наибольший ток (точка 1), поскольку намагниченности обоих его ферромагнитных слоев одинаково направлены. По мере уменьшения Н до 0 коллекторный ток немного снижается. Монотонное снижение тока происходит и при дальнейшей смене полярности магнитного поля до тех пор, пока напряженность

68

не достигнет величины коэрцитивной силы «свободного» ферромагнетика NiFe (точка 2). Когда Н станет равной величине коэрцитивной силы, направление намагниченности слоя NiFe начинает изменяться на противоположное и вследствие этого ток резко падает. При Н, соответствующей точке 3 (коэрцитивной силе кобальта), наступает постепенное перемагничивание слоя Co, которое приводит к тому, что направления намагниченностей обоих ферромагнитных слоев снова совпадают, и коллекторный ток резко возрастает до наибольшего значения (точка 4). Последующее изменение напряженности магнитного поля от -Н до +Н обусловливает изменение тока так, как показано пунктирной линией, и все повторяется зеркально симметрично (точки 5, 6 и 1).

Спин-вентильный транзистор не дает усиления по току. Однако он характеризуется высокой чувствительностью к изменениям магнитного поля вблизи точек 2, 3, 5, 6 и быстродействием (изменение тока почти втрое в пределах единиц эрстед в течение нескольких пикосекунд). К тому же транзистор обладает собственной энергонезависимой памятью и в зависимости от своего состояния по-разному «реагирует» на изменения магнитного поля.

5.1.3. Туннельный спин-вентильный транзистор

Туннельный спин-вентильный транзистор состоит из слоев полупроводника GaAs (коллектора), «свободного» ферромагнетика (металлической базы), изолятора Al2O3 (туннельного барьера) и «фиксированного» ферромагнетика (эмиттера) (рис. 5.4).

69

Рис. 5.4. Структура, энергетическая диаграмма и схема подключения туннельного спин-вентильного транзистора

На границе раздела «свободный» ферромагнетик − полупроводник возникает барьер Шоттки. Напряжения эмиттербаза UЭБ и база-коллектор UБК смещают уровни Ферми в эмиттере (EФЭ) и в коллекторе (EФК) относительно уровня Ферми в

базе (EФБ).

Ток через такой транзистор определяется спинзависимым туннелированием электронов сквозь слой изолятора и зависит от взаимной ориентации намагниченностей «свободного» и «фиксированного» ферромагнетиков. Следовательно, туннельный спин-вентильный транзистор чувствителен к внешнему магнитному полю.

Толщина базы (~ 1 нм) меньше длины свободного пробега электронов между рассеяниями. Это обеспечивает баллистический (без рассеяния) характер прохождения электронов проводимости сквозь тонкую базу и, как следствие, высокое быстродействие транзистора (до нескольких терагерц).

Кривая IК(H) для туннельного спин-вентильного транзистора подобна кривой, представленной на рис. 5.3.

70