Транзистор на квантовых точках

Квантовая точка — фрагмент проводника или полупроводника, ограниченный по всем трём пространственным измерениям и содержащий электроны проводимости. Точка должна быть настолько малой, чтобы были существенны квантовые эффекты.

 

Электрон в таком микрокристалле чувствует себя как электрон в трёхмерной потенциальной яме, он имеет много стационарных уровней энергии с характерным расстоянием между ними (точное выражение для уровней энергии зависит от формы точки)

 

 

DE = h² / 2md² (14.3)

d - характерный размер точки,

m - эффективная масса электрона на точке, **)

 

 

Пример:

Nature Nanotechnology, “Spectroscopy of few-electron single-crystal silicon quantum dots”

Транзистор на основе кремния, содержащий лишь семь атомов фосфора в наноостровке (квантовой точке) размером 3х4 нм.

Квантовые точки — один из главных кандидатов для представления кубитов в квантовых вычислениях.

Куби́т (q-бит, кьюбит; от quantum bit) — квантовый разряд или наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере.

 

Слово «qubit» ввел в употребление Бен Шумахер из Кеньон-колледжа (США) в 1995 г.,

 

Квантовый компьютер - вычислительное устройство, работающее на основе законов квантовой механики.

Пока гипотетическое устройство, квантовый компьютер принципиально отличается от классических компьютеров, работающих на основе классической механики.

Модели квантовых компьютеров (до 10 кубитов) уже построены (на существующей элементной базе) и могут применяться для повышения эффективности вычислений.

 

 

ПРИМЕЧАНИЕ

 

*) В релятивистской механике трёхмерный импульс частицы p

 

(14.3)

 

 

**) В физике твёрдого тела, эффективной массой частицы называется динамическая масса, которая появляется при движении частицы в периодическом потенциале кристалла.

Можно показать, что электроны и дырки в кристалле реагируют на электрическое поле так, как если бы они свободно двигались в вакууме, но с некой эффективной массой, которую обычно определяют в единицах массы покоя электрона m_e (9.11×10⁻³¹ кг). Она отлична от массы покоя электрона.

 

Углеродные нанотрубки

 

К одной из перспективных технологий можно отнести использование в производстве транзисторов карбоновых (углеродных) нанотрубок (Carbon Nanotube).

Углеродные нанотрубки, называемые фуллеренами или углеродными каркасными структурами, - это большие молекулы, состоящие только из атомов углерода.

В конце 80-х - начале 90-х годов фуллерены научились получать в макроскопических количествах, а в 1991 году неожиданно были открыты новые фуллерены, напоминающие длинные цилиндрические каркасные формы, - их назвали нанотрубками.

В поперечном сечении их размер обычно составляет несколько нанометров, в то время как по длине они могут достигать гигантских размеров - вплоть до миллиметра.

Визуально структуру таких нанотрубок можно представить как графитовую плоскость (то есть плоскость, в которой атомы углерода упакованы по типу графита), из которой вырезана длинная полоска, свернутая в цилиндр.

 

Этот цилиндр - карбоновая нанотрубка.

Рис. 14.3 Форма нанотрубки

Степень скрученности нанотрубки, которая оказывает значительное влияние на ее электрические свойства, определяет ее зонную структуру и взаимное расположение валентной зоны и зоны проводимости на энергетической диаграмме.

При определенной скрученности нанотрубка будет обладать электронной проводимостью по типу металлов.

В других случаях нанотрубки являются полупроводниками, и между зоной проводимости и валентной зоной существует запрещенная зона с шириной от нескольких десятых до единиц электрон-вольт (эВ).

Причем, чем меньше диаметр нанотрубки, тем больше ширина запрещенной зоны.

 

Одно из применений нанотрубок - создание полевых транзисторов, в которых роль канала проводимости выполняет именно нанотрубка.

 

Рис. 14.4 Структура полевого транзистора на основе нанотрубки

 

Принцип действия полевого транзистора на основе нанотрубки подобен принципу действия традиционного транзистора, но каналом переноса заряда в данном случае является сама нанотрубка.

В простейшем случае транзистор с нанотрубкой выглядит так, как показано на

рис. 14.4.

 

На подложку из кремния, которая сама является управляющим электродом (затвором), наносится тончайшая пленка защитного слоя - оксида кремния.

На этой пленке расположены сток и исток в виде тонких проводящих рельсов, между которыми располагается сама нанотрубка с полупроводниковой проводимостью.

 

В обычном состоянии концентрация свободных носителей зарядов (дырок и электронов) в нанотрубке мала, то есть она является диэлектриком с запрещенной зоной шириной в несколько электрон-вольт.

При помещении нанотрубки в электрическое поле ширина запрещенной зоны меняется и концентрация свободных носителей зарядов увеличивается - нанокарбоновая трубка становится проводником.

Электрическое поле, управляющее проводимостью нанокарбоновой трубки, создается затвором (кремниевая подложка).

При потенциале затвора порядка нескольких вольт концентрация свободных носителей заряда в валентной зоне достигает максимума и нанотрубка становится хорошим проводником.

Меняя напряжение на затворе, можно управлять проводимостью нанотрубки т.е. открывать или запирать транзистор.

 

Первой компанией, изготовившей в 2001 году транзистор на нанотрубках, стала IBM. С тех пор было разработано множество альтернативных схем транзисторов с нанотрубками.

 

В Samsung была создана схема транзистора с вертикальным расположением нанотрубок.

 

Другое применение нанотрубок — это создание энергонезависимой оперативной памяти NRAM (Nonvolatile Random Access Memory) компании Nantero.

 

Плотность записи информации в устройствах NRAM может достигать 5 млрд бит на квадратный сантиметр, а частота работы памяти — до 2 ГГц.

Nantero выпустила модуль NRAM-памяти емкостью 10 Гбит. Массовое производство модулей NRAM-памяти, вероятно, начнется через год-два.