4 Гетеротранзисторы с резонансным туннелированием

На наноэлектронном этапе развития функциональные возможности и характеристики биполярных и полевых транзисторов на основе полупроводников группы  удалось дополнительно улучшить благодаря использованию резонансного туннелирования, о котором речь шла в "Качественные изменения свойств при переходе к наноразмерным элементам " . Вы уже знаете, что вольтамперная характеристика двойного туннельного барьера с квантово-размерным промежуточным слоем (ДТБР) является ВАХ N-типа и имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. ВАХ двойного туннельного барьера, рассмотренная в "Качественные изменения свойств при переходе к наноразмерным элементам" в виде зависимости электрического тока от приложенного напряжения, воспроизведена на рисунке 7 слева в виде обратной зависимости – электрического напряжения на ДТБР от протекающего электрического тока. Видно, что эта зависимость на участке от  до  не является однозначной. Участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением при управлении электрическим током не является стабильным, но два других участка соответствуют стабильным состояниям ДТБР.

Рисунок 7 - Зависимость напряжения на ДТБР от протекающего электрического тока, схема включения ДТБР последовательно с источником тока и выходная характеристика такой схемы

При протекании электрического тока , в зависимости от предыстории, ДТБР может находиться в одном из двух разных состояний. В одном состоянии на этом элементе падает напряжение , в другом – . Поэтому в принципе на таком элементе может быть построена ячейка памяти с двумя состояниями – логического "0" и логической "1".

На рисунке 7 в центре показан вариант принципиальной электрической схемы, когда ДТБР подключен к источнику напряжения питания U_П последовательно с источником тока, позволяющим плавно регулировать величину электрического тока (). Таким элементом может быть, например, гетеротранзистор (биполярный или полевой). Справа показана зависимость выходного напряжения такой схемы () от электрического тока . При малых значениях тока падение напряжения на ДТБР тоже невелико, и выходное напряжение примерно равно напряжению питания. При возрастании тока падение напряжения на ДТБР увеличивается, и выходное напряжение падает. А когда величина тока достигает резонансного значения , ДТБР очень быстро (за доли пикосекунды) переходит в другой режим, и напряжение на выходе резко падает. Это позволяет в логических схемах на гетеротранзисторах получать очень крутые фронты сигналов, что содействует повышению быстродействия и надежности таких схем.

Рисунок 8 - Энергетические диаграммы биполярного гетеротранзистора в случаях, когда ДТБР встроен: вверху – в область эмиттера; в центре – в область базы; внизу – в область коллектора

Технология эпитаксиального наращивания, ставшая доступной на "наноэлектронном" этапе развития, позволяет встроить очень тонкую гетероструктуру ДТБР (обычно это структура  или другие аналогичные комбинации толщиной порядка единиц нанометра) в любую область биполярного гетеротранзистора – в эмиттер, базу или в коллектор. Соответствующие энергетические диаграммы показаны на рис. 8.8. Здесь обозначения такие же, как и на рис. 8.6, ДТБР - двойной туннельный барьер с резонансным туннелированием. В случае, показанном вверху, транзистор резко открывается лишь при определенном (резонансном) значении напряжения между базой и эмиттером. В случае, показанном внизу, транзистор открывается лишь при определенном (резонансном) значении напряжения между базой и коллектором. А в случае, показанном посредине, открывание транзистора происходит лишь при определенном (резонансном) значении напряжения между эмиттером и коллектором.

Во всех трех случаях достигаются фронты исходного сигнала, значительно более крутые, чем при отсутствии двойного туннельного барьера.

На рисунках 9 и 10  показаны примеры структуры гетеротранзисторов со встроенным ДТБР.

Рисунок 9 – Структура биополярного гетеротранзистора с ДТБР в области коллектора

Такие гетеротранзисторы сейчас интенсивно исследуются. Схемотехника сверхвысокочастотных схем на гетеротранзисторах с резонансным туннелированием только разрабатывается. Пока еще нет даже устоявшихся способов изображения таких новейших транзисторов в схемах.

Рисунок 10 – Структура ПГТЗШ с ДТБР в области тока