Применения УНТ и фуллеренов в информатике

Введение

Как мы уже отмечали, УНТ и фуллерены стали основой для многих новых перспективных направлений в материаловедении, в нанотехнологиях, в прикладной химии, в медицине и т.д. В данной лекции мы рассмотрим основные направления их применения в информатике.

Транзисторы и логические схемы на основе УНТ

Полевые транзисторы на основе УНТ

Рассмотрим сначала полевые транзисторы на основе УНТ. На рис. 6.1 показаны две из многих возможных структур таких транзисторов.

Рис. 6.1. Структура полевых транзисторов на УНТ: слева – с металлическим затвором; справа – с затвором из поликристаллического кремния

В обоих случаях полупроводниковая УНТ размещена в зазоре между металлическими электродами истока и стока, образуя после отжига надежные электрические контакты с ними. В первой конструкции (слева) электрод затвора тоже формируется из металла после нанесения на нанотрубку тонкого слоя диэлектрика. Во второй конструкции (справа) электрод затвора формируют из поликристаллического кремния в "карманах" пластины из монокристаллического кремния. Вариантом первой конструкции является замена металлического электрода затвора нанотрубкой с металлической проводимостью, ортогональной к полупроводниковой УНТ. С использованием такого затвора уже в 2008 г. удалось построить транзистор с рекордно малой длиной канала (9 нм). Энергетические диаграммы транзистора на УНТ при разном напряжении на затворе показаны на рис. 6.2. Слева показана зонная диаграмма в закрытом состоянии транзистора, когда сквозь него течет наименьший ток. Это имеет место при таком напряжении на затворе, при котором уровень Ферми металлического электрода истока размещен на уровне середины запрещенной зоны полупроводниковой УНТ.

Рис. 6.2.

Напомним, что HOMO – это полностью заполненная электронами -МО, а LUMO – ближайшая свободная -МО (не заполненная электронами). При указанном напряжении электрический заряд сквозь нанотрубку могут переносить лишь редкие электроны, которые благодаря хаотическому тепловому движению приобретают энергию, достаточную для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер и перейти из металла на LUMO. Поскольку при комнатной температуре таких электронов очень мало, то и электрический ток сквозь транзистор очень мал.

Если на затвор подать более низкое напряжение , то энергетические уровни электронов на молекулярных орбиталях УНТ поднимаются на величину , и уровень Ферми металлических электродов сравнивается с верхним краем HOMO. Это показано на рис. 6.2 в центре. Электроны с HOMO под действием приложенного электрического поля между истоком и стоком получают возможность свободно переходить в электрод истока, оставляя в заполненной HOMO свободные места – "дырки". Эти дырки под действием того же электрического поля движутся в направлении к стоку. Когда они достигают контакта со стоком, на их место переходят электроны из металла. Такой "открытый" транзистор хорошо проводит электрический ток, имеющий "дырочный характер", а нанотрубка становится каналом проводимости -типа.

Если на затвор подать более высокое напряжение , то энергетические уровни электронов на молекулярных орбиталях УНТ опускаются на величину , и уровень Ферми металлических электродов сравнивается с нижним краем LUMO. Это показано на рис. 6.2 справа. Электроны из электрода стока могут свободно переходить на LUMO, двигаться по ней вдоль УНТ к истоку и там свободно переходить в электрод истока. При этом транзистор тоже открыт, электрический ток имеет "электронный" характер, а нанотрубка становится каналом проводимости -типа.

Как регулируемый канал проводимости полупроводниковая УНТ имеет то преимущество перед каналами проводимости в полупроводниках, что подвижность носителей электрического заряда в нанотрубках значительно выше, чем в кремнии, арсениде галлия и в других классических полупроводниках, и размеры канала можно уменьшать вплоть до молекулярных масштабов.

Типичный пример вольтамперных характеристик полевых транзисторов на основе УНТ показан на рис. 6.3.

Рис. 6.3.

Слева показано семейство ВАХ при разном отрицательном напряжении между затвором и истоком. Вдоль горизонтали отложено напряжение между истоком и стоком, вдоль вертикали – электрический ток сквозь транзистор. Справа показана передаточная характеристика – зависимость электрического тока сквозь транзистор от напряжения на затворе при фиксированном напряжении между истоком и стоком ( В). Вертикальная шкала здесь логарифмическая. Видно, что ток сквозь транзистор в закрытом состоянии ( В) меньше, чем 10 пА, а в открытом состоянии ( В) может быть больше на 5 порядков величины. Наибольшая крутизна наблюдается при значениях от –0,3 до +0,1 В. Здесь ток возрастает вдесятеро при снижении напряжения на затворе на 100 мВ.

Однако учтите, что ширина запрещенной зоны полупроводниковой УНТ, а следовательно, и конкретные параметры транзистора на УНТ зависят от ее диаметра ( рис. 6.4).

Рис. 6.4. Зависимость ширины запрещенной зоны полупроводниковых УНТ от их диаметра D

Вдоль горизонтали здесь отложена обратная величина к диаметру нанотрубки, заданному в нанометрах, вдоль вертикали – ширина запрещенной зоны в электрон-вольтах. Чем меньше диаметр УНТ, тем больше ширина запрещенной зоны энергий.

В транзисторах с использованием тонких нанотрубок ( нм) и подзатворного диэлектрика с высокой диэлектрической постоянной () удалось достичь еще большей крутизны передаточной характеристики – возрастания тока вдесятеро при снижении напряжения лишь на 60 мВ.

На таких транзисторах по известным принципам можно строить и усилители слабых сигналов, и логические элементы, и триггеры ( рис. 6.5), и генераторы импульсов, и тактовые генераторы с диапазоном рабочих частот до сотен гигагерц.

Рис. 6.5.

Фактический частотный диапазон существенно зависит от характеристик не только транзистора, но и всех других компонентов схемы, особенно от величины паразитных емкостей.

Поскольку УНТ, как правило, достаточно длинны, то в качестве резистора в схеме на рис. 6.5 можно использовать продолжение той же самой углеродной нанотрубки, из которой сформирован канал транзистора, но без затвора. Кроме того, над одной нанотрубкой можно сформировать несколько затворов, что позволяет просто реализовать логические вентили "И" (конъюнкция) и "ИЛИ" (дизъюнкция). Варианты двух таких логических схем показаны на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Принципиальные электрические схемы логических элементов на УНТ полевых транзисторах: слева – схема конъюнкции на УНТ с тремя затворами; справа – схема дизъюнкции

Как и в схеме триггера, в качестве резистора здесь может быть использовано продолжение полупроводниковой УНТ, но без затвора.