QFET - QFET

А квантовый полевой транзистор (QFET) или же полевой транзистор с квантовыми ямами (QWFET) является разновидностью МОП-транзистор (металл – оксид – полупроводник полевой транзистор )^[1][2][3] который использует в своих интересах квантовое туннелирование значительно увеличить скорость работы транзистора за счет исключения традиционной зоны электронной проводимости транзистора, которая обычно вызывает перевозчики для замедления в 3000 раз. Результатом является увеличение логической скорости в 10 раз с одновременным уменьшением требований к мощности и размерам компонентов также в 10 раз. Это достигается за счет производственного процесса, известного как быстрая термическая обработка (RTP), в котором используются ультратонкие слои строительных материалов.^[4]

Буквы «QFET» в настоящее время также существуют в качестве товарного знака серии МОП-транзисторы произведено Fairchild Semiconductor (составлено в ноябре 2015 г.), которые содержат проприетарный дважды диффузный металл – оксид – полупроводник (DMOS), но которые на самом деле не являются квантовыми (Q в данном случае означает «качество»).

Структура и работа устройства

Современные примеры квантовых полевых транзисторов объединяют структуры, традиционные для традиционных полевых МОП-транзисторов, и используют многие из тех же материалов.^[5] MOSFET-транзисторы состоят из диэлектрических материалов, таких как SiO.₂, и металлические ворота.^[6] Металлические ворота изолированы от затвор диэлектрик слой, что приводит к очень высокому входному сопротивлению.^[7] Состоящие из трех клемм, истока (или входа), стока (или выхода) и затвора, полевые МОП-транзисторы могут управлять током через приложенное напряжение (или его отсутствие) к клемме затвора, что изменяет потенциальный барьер между слоями и позволяет (или отключает) поток заряда.^[8]

Выводы истока и стока подключены к легированным областям полевого МОП-транзистора, изолированным областью корпуса. Это области либо p, либо n типа, причем оба терминала относятся к одному и тому же типу и противоположны таковому типу тела. Если MOSFET является n-канальным MOSFET, области истока и стока являются п+ и тело п область, край. Если полевой МОП-транзистор является полевым МОП-транзистором с b-каналом, области истока и стока являются п+ и тело п область, край. В n-канальном MOSFET электроны переносят заряд через область источника, а дырки несут заряды в p-канальном MOSFET-источнике.

Структуры полевых транзисторов обычно строятся постепенно, слой за слоем, с использованием различных методов, таких как молекулярно-лучевая эпитаксия, жидкофазная эпитаксия и парофазная эпитаксия, например химическое осаждение из паровой фазы.^[9] Типичные полевые МОП-транзисторы построены в микронном масштабе. Влажное химическое травление можно использовать для создания слоев толщиной 3 мкм и более, а методы сухого травления можно использовать для получения слоев в нанометровом масштабе.^[10] Когда толщина слоя приближается к 50 нанометрам или меньше, длина волны де Бройля слоя приближается к слою термализованного электрона, а обычный отношения энергии-импульса для объемных полупроводников больше не работают.^[9]

Сверхтонкие полупроводниковые слои используются в производстве QFET, ширина запрещенной зоны которых меньше, чем у окружающих материалов. В случае QFET с одномерными квантовыми ямами наноразмерный полупроводниковый слой выращивается между двумя изолирующими слоями. Слой полупроводника имеет толщину d, а электронные носители заряда захвачены в потенциальную яму. Эти электроны и соответствующие им дырки имеют дискретные уровни энергии, которые находятся путем решения не зависящего от времени уравнения Шредингера, как показано:

${\displaystyle E_{q}={\hbar ^{2}(q\pi /d)^{2} \over 2m},q=1,2,3,...}$

Носители заряда можно активировать (или деактивировать) путем приложения потенциала к выводу затвора, который соответствует соответствующему уровню энергии. Эти уровни энергии зависят от толщины полупроводникового слоя и свойств материала. Перспективный кандидат в полупроводники для реализации QFET, InGaAs, имеет длину волны де Бройля около 50 нанометров. Больших промежутков между уровнями энергии можно добиться за счет уменьшения толщины d слоя. В случае InGaAs была достигнута длина слоя около 20 нанометров.^[11] На практике создаются трехмерные квантовые ямы с размерами плоскости слоя d₂ и d₃, будучи намного больше в относительном размере. Соответствующее соотношение энергии-импульса электрона описывается формулой

${\displaystyle E=E_{c}+{\hbar ^{2}k_{1}^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{2}^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{3}^{2} \over 2m_{c}}}$.

В k значения в этом отношении соответствуют ${\displaystyle {q_{1}\pi \over d_{1}},{q_{2}\pi \over d_{2}},}$ и ${\displaystyle {q_{3}\pi \over d_{3}}}$, которые являются величинами волновые векторы в каждом измерении.

QFET-транзисторы, организованные с помощью квантовых проводов, аналогичным образом удерживают электронные носители заряда в потенциальной яме, но природа их узкой геометрической формы позволяет производителю улавливать электроны в двух измерениях.^[12] Квантовые провода - это, по сути, каналы в одномерной системе, обеспечивающие более жесткое ограничение носителей и предсказуемый ток.^[9][13]

Традиционные полевые МОП-транзисторы, построенные со слоем диоксида кремния поверх кремниевой подложки, работают за счет создания смещенного p-n переход, которые могут иметь прямое или обратное смещение при наличии положительного или отрицательного приложенного напряжения соответственно.^[9] Фактически, приложение напряжения уменьшает высоту потенциального барьера между п и п области и позволяет заряду течь в виде положительно заряженных «дырок» и отрицательно заряженных электронов.

Однопереходные полевые транзисторы QFET используют квантовое туннелирование для увеличения скорости за счет устранения области электронной проводимости, которая замедляет носители до 3000 раз.

Теория и применение к оптическим приборам

Поведение строительных блоков QFET можно описать законами Квантовая механика. В полупроводниковых структурах с квантовыми ограничениями присутствие носителей заряда (дырок и электронов) количественно определяется с помощью плотность состояний.^[9] В случае трехмерной квантовой ямы, часто построенной как плоский слой толщиной от 2 до 20 нм, плотность состояний ${\displaystyle \rho _{c}(E)}$ получается из двумерного вектора ${\displaystyle (k_{2}={q_{2}\pi \over d_{2}},k_{3}={q_{3}\pi \over d_{3}})}$, что соответствует площади в плоскости слоя. От ${\displaystyle E-k}$ связь,

${\displaystyle E=E_{c}+{\hbar ^{2}k_{1}^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{2}^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{3}^{2} \over 2m_{c}}}$, можно показать, что ${\displaystyle {dE \over dk}=\hbar ^{2}k/m_{c}}$, и поэтому

${\displaystyle \rho _{c}(E)={\begin{cases}{m_{c} \over \pi \hbar ^{2}d_{1}},\\0,\end{cases}}q_{1}=1,2,3,....}$^[9]

Точно так же энергия одномерных нанопроволок описывается волновыми векторами, однако из-за их геометрии только один k вектор, ${\displaystyle k_{z}}$, необходим для моделирования кинетической энергии свободного движения вдоль оси проволоки:

${\displaystyle E(k_{z})={\hbar ^{2}k_{z}^{2} \over 2m_{c}}}$^[13]

Более точная энергетическая модель может быть использована для количественной оценки энергии электронов, удерживаемых в двух измерениях. Можно предположить, что провод имеет прямоугольное сечение d₁d₂, что приводит к новому соотношению энергия-импульс:

${\displaystyle E=E_{c}+{\hbar ^{2}(q_{1}\pi /d_{1})^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}(q_{2}\pi /d_{2})^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k^{2} \over 2m_{c}}}$, где k - компонента вектора вдоль оси провода.

Двумерные квантовые проволоки также могут иметь цилиндрическую форму с общим диаметром около 20 нм.^[14]

В случае квантовых точек, которые ограничены одним измерением, энергия квантуется еще дальше:

${\displaystyle E=E_{c}+{\hbar ^{2}(q_{1}\pi /d_{1})^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}(q_{2}\pi /d_{2})^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}(q_{3}\pi /d_{3})^{2} \over 2m_{c}}}$.

Геометрические свойства квантовых точек различаются, но типичные частицы квантовых точек имеют размеры от 1 до 50 нм. Поскольку движение электронов дополнительно ограничивается при каждом последующем размерном квантовании, подзоны зоны проводимости и валентной зоны становятся более узкими.

MOSFET с трехзатворной ямой III-V (Datta, K. & Khosru, Q.)

Все полупроводники обладают уникальной проводимостью и валентная полоса структура. В прямая запрещенная зона полупроводники, минимум зоны проводимости и максимум энергии валентной зоны находятся на одном и том же волновом числе k, соответствующий тому же импульсу.^[15][9] QFET-транзисторы с квантово-размерной структурой имеют зоны проводимости, которые разделены на многочисленные подзоны, которые соответствуют их соответствующим квантовым числам. д = 1, 2, 3, ... и предлагают более высокую плотность состояний при самой низкой разрешенной зоне проводимости и наивысшей разрешенной энергии валентной зоны, чем полевые МОП-транзисторы, что приводит к интересным свойствам, особенно в их оптических характеристиках и приложениях. Для устройств с квантовыми ямами, используемых в лазерные диоды, фотоны взаимодействуют с электронами и дырками через переходы между валентной зоной и зоной проводимости. Переходы от фотонных взаимодействий в полупроводниках с квантовыми ямами регулируются энергетическими зазорами между подзонами, в отличие от общей запрещенной зоны классических полупроводников.

Мотивация

Концептуальный дизайн Полевой транзистор (FET) был впервые сформулирован в 1930 году Дж. Э. Лилиенфельдом.^[16] С момента появления первого кремниевого полевого транзистора 30 лет спустя в электронной промышленности наблюдается быстрый и предсказуемый экспоненциальный рост как плотности транзисторов, так и возможностей обработки информации. Это явление, известное как Закон Мура, относится к наблюдению, что количество транзисторов, которые могут быть помещены в Интегральная схема удваивается примерно каждые два года.

Высокоскоростные квантовые полевые транзисторы были разработаны для преодоления технологии 0,2 мкм, которая считается практическим пределом для традиционной полупроводниковой технологии. Таким образом, полевые транзисторы QFET увеличивают логическую скорость в десять раз и уменьшают требования к мощности и размер транзистора в тот же раз. Эти увеличения позволяют использовать устройства QFET при разработке средств автоматизации проектирования, которые выигрывают от малой мощности, малых размеров и высокой скорости.^[17]

Смотрите также

• Список приложений MOSFET
• Квантовые вычисления
• Квантовая яма

Рекомендации

1. Датта, канак; Хосру, Квази Д. М. (1 апреля 2016 г.). «Трехзатворный МОП-транзистор с квантовой ямой III – V: исследование с использованием квантового баллистического моделирования для технологии 10 нм и выше». Твердотельная электроника. 118: 66–77. arXiv:1802.09136. Bibcode:2016ССЭле.118 ... 66Д. Дои:10.1016 / j.sse.2015.11.034. ISSN  0038-1101. S2CID  101934219.
2. Kulkarni, Jaydeep P .; Рой, Кошик (2010). «Совместное проектирование технологии / схемы для полевых транзисторов III-V». В Октябрьском, Серж; Е, Пейде (ред.). Основы полупроводниковых МОП-транзисторов III-V. Springer Science & Business Media. С. 423–442. Дои:10.1007/978-1-4419-1547-4_14. ISBN  978-1-4419-1547-4.
3. Линь, Цзяньцян (2015). "InGaAs Квантовые МОП-транзисторы для логических приложений". Массачусетский Институт Технологий. HDL:1721.1/99777.
4. «ЧТО НОВОСТИ: Обзор последних достижений в электронике», Радиоэлектроника, Гернсбэк, 62 (5), май 1991 г.
5. "Схемы и технологии MOSFET". ecee.colorado.edu. Получено 2020-11-23.
6. «Строительство и эксплуатация полевого МОП-транзистора». users.cecs.anu.edu.au. Получено 2020-11-22.
7. «Введение в MOSFET | Режим истощения и улучшения, приложения». Электроника. 2019-05-02. Получено 2020-11-22.
8. "Руководство для начинающих по MOSFET". ReiBot.org. 2011-09-07. Получено 2020-11-23.
9. Салех, B.E.A .; Тейч, М. (2019). Основы фотоники. Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. ISBN  978-1-119-50687-4.
10. Маду, Марк Дж. (2011). Технологии производства микротехнологий и нанотехнологий. Хобокен: CRC Press. ISBN  978-1-4200-5521-4. OCLC  908077421.
11. Линь, Цзяньцян (2015). Квантоворазмерные МОП-транзисторы InGaAs для логических приложений (Дипломная работа). Массачусетский Институт Технологий.
12. «Квантовая частица в коробке» (PDF). ocw.mit.edu. MIT OpenCourseWare.
13. Цуруми, Такааки. Наноразмерная физика для материаловедения. Бока-Ратон, Флорида. ISBN  978-1-4398-0060-7. OCLC  862039542.
14. «Диаметр нанопроволоки - обзор | Темы ScienceDirect». www.sciencedirect.com. Получено 2020-11-23.
15. «DoITPoMS - Библиотека TLP. Введение в полупроводники - полупроводники с прямой и косвенной запрещенной зоной». www.doitpoms.ac.uk. Получено 2020-11-23.
16. Франк, Дэвид; Деннард, Роберт; Новак, Эдвард; Соломон, Павел; Таур, Юань; Вонг, Хон-Сум (2001). Пределы масштабирования устройств Si MOSFET и их зависимости от приложений. IEEE.
17. Радиоэлектроника (май 1991 г.). Май 1991 года.