Баллистические транзисторы — собирательное название электронных устройств, где носители тока движутся без диссипации энергии и длина свободного пробега носителей намного больше размера канала транзистора . В теории эти транзисторы позволят создать высокочастотные ( ТГц диапазон ) интегральные схемы , поскольку быстродействие определяется временем пролёта между эмиттером и коллектором или, другими словами, расстоянием между контактами, делённым на скорость электронов. В баллистическом транзисторе скорость электронов определяется фермиевской скоростью, а не дрейфовой скоростью, связанной с подвижностью носителей тока . Для реализации такого типа транзистора необходимо исключить рассеяние на дефектах кристалла в токовом канале (включая рассеяние на фононах ), что можно достичь только в очень чистых материалах, таких как гетероструктура GaAs/AlGaAs. Двумерный электронный газ, сформированный в GaAs квантовой яме, обладает высокой подвижностью при низкой температуре и соответственно большей, чем в других материалах, длиной свободного пробега, что позволяет создавать при помощи электронной литографии устройства, где траекторией электронов можно управлять с помощью затворов или зеркально рассеивающих дефектов, хотя обычный полевой транзистор тоже будет работать как баллистический (при достаточно малых размерах). Баллистические транзисторы также созданы на основе углеродных нанотрубок , где благодаря отсутствию обратного рассеяния (длина свободного пробега увеличивается до линейного размера трубки) рабочие температуры даже выше, чем в случае с GaAs.

Углеродные нанотрубки

Транспорт в одностенных металлических нанотрубках баллистический, но до 2003 года использовать нанотрубки при создании баллистических транзисторов не получалось, поскольку не было известно хорошего материала для омического контакта. Между никелем (титаном) и одностенной металлической углеродной нанотрубкой формируется барьер Шоттки . Эту проблему удалось решить благодаря использованию палладия (для p-типа проводимости), который обладает большой работой выхода и лучшей смачиваемостью (однородное распределение палладия по нанотрубке, в отличие от платины) . Такие транзисторы работают при комнатной температуре, хотя при работе в одномодовом режиме сопротивление транзистора в открытом состоянии не меньше, чем 6 кОм.

Проверить информацию. Необходимо проверить точность фактов и достоверность сведений, изложенных в этой статье. На странице обсуждения должны быть пояснения.

Пример реализации

Вместо требующего большого напряжения для управления потока множества медленных электронов , как это делается в обычных полевых транзисторах , в баллистических транзисторах применяется изменение направления ускоряемых быстрых одиночных электронов посредством затвора, требующее значительно меньшее напряжение. Под действием электрического поля медленные электроны из материала токоподводящего электрода переходят в тонкий слой высокоподвижного полупроводникового транзистора. Медленные электроны, вошедшие в полупроводник, ускоряются электрическим полем канала на всём пути в полупроводника. Летящие в тонкой плёнке (образуют двумерный электронный газ ) полупроводника с большой скоростью быстрые электроны не сталкиваются с дефектами полупроводника. Затем ускоряющиеся электроны отклоняются электрическим или магнитным полем управляющих электродов и направляются по одному из путей. При этом путях, один из путей соответствует логическому "0", а другой - логической "1" . Затем быстрые электроны сталкиваются или со стенкой одного из путей или с клиновидным отражателем (дефлектором) отражающими электроны границей полупроводника и донаправляются им в нужный сток. Название "баллистический" было выбрано для отражения свойства отдельных электронов проходить тонкоплёночный слой полупроводника без столкновений с дефектами полупроводника, то есть без рассеяния. .

История

Первыми баллистическими устройствами были баллистические двухполупериодные выпрямители , сделанные из InGaAs–InP гетероструктуры и детектировавшие (выпрямлявшие) переменный ток частотой до 50 ГГц.

Технология

В высокоподвижной тонкой плёнке полупроводника с двумерным электронным газом на подложке после электронной литографии удаляются ненужные части полупроводника (например формируя короткий проводящий канал), оставшаяся часть полупроводника является баллистическим двухполупериодным выпрямителем , а при добавлении управляющих электродов — баллистическим дифференциальным усилителем (см рис.).

Преимущества

Преимуществами являются меньшие размеры, отсутствие дробового шума при низкой температуре , меньшая потребляемая мощность и более высокая ( терагерцы ) частота переключений. Эта технология была впервые разработана в Рочестерском Университете ( Штат Нью-Йорк , США ), в котором был создан исследовательский прототип, остающийся понятийным до сего времени. Прототип был сделан в Cornell Nanofabrication Facility , входящей в партнёрство NNIN НИО США, работающих в области нанотехнологий , с поддержкой .

Этот прототип подобен интегральным дифференциальным парам транзисторов , что определяет возможные области его применения (дифференциальные входные каскады операционных усилителей , компараторов , логические схемы, подобные ЭСЛ , эмиттерно-связанные триггеры Шмитта и др.).

См. также

• Транзистор
• Сверхпроводник
• Дифференциальный усилитель

Примечания

Ссылки

• CMOS Emerging Technology Workshop 2007. Ballistic Transistor Technology – Next Paradigm in IC Design. Martin Margala ¹ , and Quentin Diduck ² . 1 University of Massachusetts Lowell. 2 Cornell University от 23 сентября 2020 на Wayback Machine
• Radical 'Ballistic Computing' Chip Bounces Electrons Like Billiards
• Видеоклип с анимацией модели баллистического транзистора от 16 сентября 2012 на Wayback Machine
• Баллистический транзистор играет электронами в атомный бильярд. Владислав Карелин. membrana, 18 августа 2006 от 31 января 2011 на Wayback Machine
• Баллистический транзистор играет электронами в атомный бильярд от 22 июня 2013 на Wayback Machine
• Чип и Дип Видео. Баллистический транзистор. Евгений Глазков
• United States Patent No.: US 7,576,353 B2 Aug. 18, 2009 от 18 сентября 2014 на Wayback Machine
• Ballistic Deflection Transistors and the Emerging Nanoscale Era. SECTION III BALLISTIC TRANSPORT DEVICES. B. Ballistic Deflection Transistors от 7 марта 2016 на Wayback Machine