3 Спин-полевые транзисторы
Спинтроника — научно-техническое направление, связанное с возникающими при спин-зависимом транспорте явлениями и с их применением для создания электронных приборов.
В спинтронике спин электрона, как и его заряд, используется для обработки информации. Интерес к спинтронным приборам вызван тем, что они могут быть базовыми логическими элементами квантовых компьютеров. Спиновые эффекты возникают в микроэлектронных и наноэлектронных структурах при помещении их в магнитное поле. Главным из них является изменение электрического сопротивления материала или структуры под воздействием магнитного поля. Магнетосопротивление характеризует спиновые эффекты при туннелировании, диффузионном и баллистическом транспорте носителей.
Спинтроника изучает магнитные и магнитооптические взаимодействия в металлических и полупроводниковых наногетероструктурах, динамику и когерентные свойства спинов в конденсированных средах, а также квантовые магнитные явления в структурах нанометрового размера. Химические, литографические и молекулярно-кластерные технологии позволяют создавать для спинтроники наноструктуры с необходимыми магнитными свойствами. Наноструктуры могут состоять из чередующихся квантовых слоев или квантовых точек, в которых возникают такие явления, как спин-зависимое рассеяние электронов проводимости, косвенная обменная связь, поверхностная магнитная анизотропия.
Рисунок 10 - Структура спин-полевого транзистора
Структура этих транзисторов подобна обычному полевому транзистору, но области истока и стока создаются из ферромагнетиков, а затвор — из полупроводника. Принцип работы такого транзистора иллюстрирует рисунок 10, где стрелки, ориентированные по оси y, показывают направление эффективного магнитного поля By в канале. Спин-поляризованные носители покидают исток со спинами, параллельными намагниченности феррамагнетика (в направлении z), перемещаются в направлении х с волновым вектором k = (kx, 0, 0), а их спины при этом движении прецессируют, что иллюстрируется поворотом магнитных стрелок на рисунке 10. При этом электроны движутся со скоростью, составляющей 1% от скорости света в вакууме. Основная идея рассматриваемого спинового транзистора состоит в том, что поляризация спинов электрона в истоке выбрана перпендикулярной к вектору B = (0, By, 0), т. е. электроны в истоковом контакте поляризованы в +z направлении. Если стоковый контакт является также ферромагнитным, то электроны покидают полупроводниковый канал и попадают в стоковую область только при условии, что спиновая ориентация, т. е. направление вектора <S̅> электронов при x = L согласовано с поляризацией P̅С стокового контакта, т. е. cos χ = P̅С <S̅> ≈ 1, где χ — определяет угол между векторами P̅С и <S̅>. Близкое к единице значение cоs χ указывает на то, что электроны могут легко покидать полупроводниковый канал, в то время как при такой же по модулю отрицательной величине cos χ спин-поляризованный электронный ток подавлен.
Таким образом, если величина напряженности магнитного поля достаточно велика, то спины электронов в канале изменяют ориентацию на противоположную. В результате сопротивление канала возрастает и ток стока уменьшается. При изменении напряжения на затворе происходит изменение проводимости канала и тока стока IС.