2746

5.1.4. Спиновый полевой транзистор

Структура спинового полевого транзистора показана на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Спиновый полевой транзистор (а) и поворот спина электрона под действием внешнего магнитного поля (б)

(точкой в центре кружка показано направление магнитного поля)

Исток является источником спин-поляризованных электронов, а сток − спиновым фильтром. Исток и сток изготовлены из ферромагнитных материалов с одинаковыми направлениями намагниченностями и соединены узким полупроводниковым каналом инверсной проводимости, через который проходят электроны со спинами, ориентированными параллельно намагниченности истока. Ток стока через канал управляется напряжением на затворе. Током стока можно также управлять посредством внешнего магнитного поля, если исток или сток транзистора выполнен из «свободного» ферромагнетика. Зависимость тока от напряженности магнитного поля демонстрирует гистерезис, как на рис. 5.3, а у транзистора появляется внутренняя магнитная память.

Когда сопротивление канала довольно большое, к транзистору можно приложить значительное напряжение исток-

71

сток, которое позволяет ускорить движущиеся в канале электроны. Если скорость электронов υ принимает значение более, чем 106 м/с, имеет место релятивистский эффект. В этом случае при переходе в собственную систему отчета электрона напряжение, приложенное к затвору, создает электрическое поле с напряженностью E, которое в свою очередь, согласно специальной теории относительности, порождает перпендикулярное к нему магнитное поле H, пропорциональное векторному про-

изведению E . Такое магнитное поле направлено перпен-

дикулярно к плоскости изображения и действует на электроны, поворачивая их спины. Поскольку ферромагнетики намагничены в плоскости изображения, то спины электронов поворачиваются в этой же плоскости (рис. 5.5, б). Электроны, спины которых повернуты на 180° по отношению к направлению намагниченности стока, через сток не проходят и ток стока уменьшается. При других ориентациях спинов ток стока зависит от напряжения на затворе.

5.1.5. Спинтронное реле

В основе спинтронного реле лежит магнитный туннельный переход (МТП) 1, включенный последовательно с вынесенной выходной шиной 4 и внешним источником напряжения 5, и расположенная непосредственно над ним входная шина 2

(рис. 5.6).

72

Рис. 5.6. Структура спинтронного реле: 1 – первый МТП; 2 – входная шина; 3 – внешний источник тока; 4 – выходная шина; 5 – внешний источник напряжения; 6 – второй МТП

Вынесенная выходная шина 4 может служить входной шиной второго магнитного туннельного перехода 6, который по сравнению с первым МТП может иметь большие размеры, а значит, пропустить через себя больший ток ІВЫХ.2. На выходе второго МТП можно получить ток ІВЫХ.2, в сотни раз превышающий «управляющий» входной ток ІВХ. Цепочка «каскадов» может быть продолжена (штриховые линии на рис. 5.6).

Принцип работы спинтронного реле можно объяснить с использованием зависимости выходного тока ІВЫХ.1 от входного тока ІВХ (рис. 5.7).

73

Рис. 5.7. Ток ІВЫХ.1 в зависимости от тока ІВХ для спинтронного реле

Когда намагниченности «свободного» и «фиксированного» слоев спинтронного реле сонаправлены, МТП имеет малое сопротивление и выходной ток ІВЫХ.1 через него значительный (точка 1). С увеличением входного тока создаваемое им магнитное поле возрастает и изменяет направление намагничивания «свободного» ферромагнетика на противоположное при достижении значения его коэрцитивной силы. В результате сопротивление МТП растет, а выходной ток уменьшается (точка 2) до некоторого предельного значения (точка 3). Дальнейшее уменьшение входного тока и последующее его увеличение до критического значения при пропускании через входную шину в противоположном направлении приводит к незначительному увеличению выходного тока. При критическом значении ІВХ намагниченность «свободного» слоя переключается, в связи с чем уменьшается сопротивление МТП и возрастает ток ІВЫХ.1 (точка 4). Возрастание тока ІВЫХ.1 происходит до тех пор, пока его значение не сравняется с предельным значением (точка 5).

Работу спинтронного реле в динамическом режиме поясняет рис. 5.8.

74

Рис. 5.8. Зависимости ІВХ(t) и ІВЫХ.1(t) для спинтронного реле

Здесь главным показателем является время переключения tП, характеризующее скорость срабатывания реле и составляющее от десятков пикосекунд до десятков наносекунд в зависимости от сопротивления и паразитных емкостей соединений.

Размещением над входной шиной 2 еще одной независимой входной шины можно реализовать логические функции «И», «ИЛИ» и др., а последовательным включением двух выходных шин 4 можно разветвлять логические цепи.

5.2. Контрольные вопросы

1.Как работает спиновый вентиль?

2.Какова структура и каков принцип действия спинвентильного транзистора?

75

3.В чем отличие туннельного спин-вентильного транзистора от спин-вентильного транзистора? Объяснить зависимость коллекторного тока спин-вентильного транзистора от напряженности внешнего магнитного поля.

4.Каковы особенности спинового полевого транзисто-

ра?

5.Рассказать о функционировании спинтронного реле. Можно ли из спинтронных реле реализовать логические схемы? Если да, то как это сделать?

76

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате изучения материала данного пособия студент приобретает знания фундаментальных физических явлений, определяющих транспорт носителей заряда в наноструктурах, чьи размеры сравнимы с длиной волны де Бройля электрона. К таким явлениям относятся явление интерференции, связанное с особенностями транспорта носителей заряда в наноструктурах вдоль потенциальных барьеров только в квантовом режиме; явление туннелирования электрона, которое имеет специфические особенности, связанные с дискретностью переносимого электроном заряда и с дополнительным квантованием энергетических состояний, вызванным квантовым ограничением (одноэлектронное и резонансное туннелирования); спин-зависимые транспортные явления, связанные со спиновыми свойствами электрона (гигантское и туннельное магнитосопротивления). Наряду с этим студент приобретает знания физических принципов работы некоторых наноэлектронных приборов, работающих на рассмотренных явлениях.

Можно надеяться, что студент, овладев выше перечисленными знаниями, сможет разрабатывать новые физические принципы, а вместе с ними и нового поколения наноэлектронные приборы, способствуя тем самым прогрессу общества в целом.

77

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Щука, А.А. Наноэлектроника [Электронный ресурс]: учебное пособие / А.А. Щука; под ред. А.С. Сигова. − М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. − 342 с.

2.Шишкин, Г.Г. Наноэлектроника. Элементы, приборы, устройства [Электронный ресурс]: учебное пособие / Г.Г. Шишкин, И.М. Агеев. − М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. − 408 с.

3.Светцов, В.И. Физическая электроника и электронные приборы [Текст]: учебное пособие / В.И. Светцов, И.В. Холодков. − Иваново: Иван. гос. хим.-технол. ун-т, 2008. – 494 с.

4.Наноэлектроника: теория и практика [Текст]: учебник

/В.Е. Борисенко, А.И. Воробьева, А.Л. Данилюк, Е.А. Уткина. − М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. − 366 с.

5.Щелкачёв, Н.М. Электрический ток в наноструктурах: кулоновская блокада и квантовые точечные контакты [Текст]: учебно-методическое пособие / Н.М. Щелкачёв, Я.В. Фоминов. − М: МФТИ, 2010. – 39 с.

6.Мамыкин, А.И. Элементарное введение в физику наноразмерных структур [Текст]: учебное пособие / А.И. Мамыкин, М.Н. Малышев, М.Н. Шишкина. − СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. − 60 с.

7.Ткалич, В.Л. Физические основы наноэлектроники [Текст]: учебное пособие / В.Л. Ткалич, А.В. Макеева, Е.Е. Оборина. − СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. – 83 с.

8.Драгунов, В.П. Основы наноэлектроники [Текст]: учебное пособие / В.П. Драгунов, И.Г. Неизвестный, В.А. Гридчин. − Новосибирск: НГТУ, 2000. − 332 с.

9.Игнатов, А.Н. Микросхемотехника и наноэлектроника [Текст]: учебное пособие / А.Н. Игнатов. – СПб: Лань, 2011. – 527 с.

10.Усанов, Д.А. Физические основы наноэлектроники [Текст]: учебное пособие / Д.А. Усанов, А.В. Скрипаль. − Сара-

тов: СГУ, 2013. − 128 с.

78

11.Сергеев, В.А. Элементы и устройства наноэлектроники [Текст]: учебное пособие / В.А. Сергеев. − Ульяновск: УлГТУ, 2016. − 137 с.

12.Парфенов, В.В. Квантово-размерные структуры в электронике: транзисторные структуры и клеточные автоматы [Текст]: методическое пособие / В.В. Парфенов. − Казань: КГУ, 2007. − 16 с.

13.Елисеев, А.А. Функциональные наноматериалы [Текст]: монография / А.А. Елисеев, А.В. Лукашин; под ред. Ю.Д. Третьякова. − М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. − 456 с.

14.Нанотехнологии. Наноматериалы. Наносистемная техника. Мировые достижения − 2008 год [Текст]: сборник / под ред. П.П. Мальцева. − М.: Техносфера, 2008. − 432 с.

15.Демиховский, В.Я. Квантовые ямы, нити, точки. Что это такое? [Текст]: / В.Я. Демиховский // Соросовский образовательный журнал. − 1997. − № 5. − С. 80 – 86.

16.Борисенко, В.Е. Наноэлектроника − основа информационных систем XXI века [Текст] / В.Е. Борисенко // Соросовский образовательный журнал. − 1997. − № 5. − С. 100 –

104.

17.Нелинейные явления в нано- и микрогетерогенных системах [Текст]: монография / С.А. Гриднев, Ю.Е. Калинин, А.В. Ситников, О.В. Стогней. − М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. − 352 с.

79