Наноэлектронная элементная база информатики на полупроводниках группы А_ІІІВ_V. Гетеротранзисторы

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 " (п. 3.5). 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 " ( рис. 3.8, справа) в виде зависимости электрического тока от приложенного напряжения, воспроизведена на рис. 8.7 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.

Рис. 8.7. Слева – зависимость напряжения на ДТБР от протекающего электрического тока. В центре – схема включения ДТБР последовательно с источником тока. Справа – 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 рис. 8.7 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.

Рис. 8.8. 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 рис. 8.9 и рис. 8.10 показаны примеры структуры гетеротранзисторов со встроенным ДТБР.

Рис. 8.9.

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.

Рис. 8.10.

Гетеротранзисторы на "горячих" электронах

Интересными новыми разработками являются также гетеротранзисторы на "горячих" электронах. Идея униполярных (без -переходов) транзисторов на "горячих" электронах (англ. Hot Electron Transistor – НЕТ), которую объясняет рис. 8.11, была высказана еще в 60-х гг. ХХ в. Она состоит в использовании свойств полупроводниковой структуры , где высоколегированная -область выполняет роль базы транзистора. На границе раздела эмиттер/база возникает перепад потенциала. Благодаря этому часть потенциальной энергии электронов проводимости, инжектируемых в базу, превращается в кинетическую энергию, которая намного больше энергии теплового движения электронов.

Рис. 8.11.

Распределение инжектированных в базу электронов по энергиям значительно отличается от равновесного распределения Максвелла. И поэтому такие электроны называют "горячими". Если толщина базовой области меньше длины свободного пробега, то такие "горячие" электроны пролетают сквозь базу в коллектор практически без рассеяний, обеспечивая высокий коэффициент передачи потока инжектированных электронов в коллектор.

Однако идея транзисторов на горячих электронах стала эффективной лишь на "наноэлектронном" этапе развития при использовании гетероструктур со сверхтонкими слоями.

В профессиональных журналах описано много вариантов реализации гетеротранзисторов на "горячих" электронах – со структурами , , и другими. Одним из наилучших оказался вариант транзистора на двойной гетероструктуре: "эмиттер из / база из толщиной около 10 нм / коллектор из ". Энергетическая диаграмма, на которой изображены профили лишь "дна" зон проводимости такого транзистора, показана на рис. 8.12 слева.

Рис. 8.12. Слева – профиль "дна" зоны проводимости гетеротранзистора на "горячих" электронах (ГЭ) со структурой, описанной в тексте. Справа – передаточные характеристики такого транзистора в схеме с общим эмиттером при различных значениях тока базы

Валентные зоны для упрощения не показаны. Перепад потенциала зоны проводимости на границе раздела эмиттер/база составляет здесь 1,3 эВ. Приблизительно такую кинетическую энергию получают "горячие" электроны, инжектированные из эмиттера в базу. Пролетая тонкий (толщиной приблизительно 10 нм) слой базы практически без рассеяний и, следовательно, без потери энергии, они легко преодолевают потенциальный барьер высотой 0,8 эВ на границе раздела база/коллектор.

На рис. 8.12 справа показаны типичные передаточные характеристики такого транзистора в схеме с общим эмиттером при температуре 300 К. Вдоль горизонтали здесь отложено напряжение между коллектором и эмиттером, вдоль вертикали – ток коллектора. Характеристики приведены для разных значений электрического тока базы, начиная от 100 мкА с шагом в 100 мкА. Коэффициент усиления тока превышает 10 при частотах в сотни ГГц при очень малом собственном шуме. А коэффициент усиления мощности может быть еще во много раз больше.

Малое время реакции (порядка 0,1 пс) в таких транзисторах обусловлено тем, что они используют основные носители заряда и баллистический характер их пролета сквозь базу, имеют низкое электрическое сопротивление базовой области и малые значения электрической емкости эмиттерного и коллекторного барьеров.

Характеристики гетеротранзисторов на "горячих" электронах дополнительно можно улучшить с использованием двойного резонансного туннельного барьера, как в биполярных гетеротранзисторах. В частности, когда ДТБР встраивается в область эмиттера, то резонансное туннелирование обеспечивает инжекцию в базу "горячих" электронов с очень малым "разбросом" энергий, что предопределяет их практически одновременный пролет сквозь базу и соответственно крутые (субпикосекундные) фронты сигналов при переключениях транзистора.