QFET

Kwantowy tranzystor polowy ( QFET ) lub tranzystor polowy ze studnią kwantową ( QWFET ) to rodzaj tranzystora MOSFET (tranzystor polowy metal-tlenek-półprzewodnik ) , który wykorzystuje tunelowanie kwantowe do znacznego zwiększenia szybkości działania tranzystora poprzez wyeliminowanie obszaru przewodnictwa elektronów tradycyjnego tranzystora, który zwykle powoduje powstawanie nośników spowolnić o czynnik 3000. Rezultatem jest wzrost szybkości logiki o czynnik 10 przy jednoczesnym zmniejszeniu zapotrzebowania mocy i rozmiaru komponentów również o czynnik 10. Osiąga to poprzez proces produkcyjny znany jako szybkie obróbka termiczna (RTP), która wykorzystuje ultracienkie warstwy materiałów konstrukcyjnych.

Litery „QFET” istnieją obecnie również jako nazwa handlowa serii tranzystorów MOSFET produkowanych przez Fairchild Semiconductor (opracowanych w listopadzie 2015 r.), Które zawierają zastrzeżoną technologię podwójnie rozproszonego półprzewodnika metalowo-tlenkowego (DMOS), ale które nie są w rzeczywistości , oparty na kwantach (Q w tym przypadku oznacza „jakość”).

Budowa i działanie urządzenia

Nowoczesne przykłady kwantowych tranzystorów polowych integrują struktury tradycyjne dla konwencjonalnych tranzystorów MOSFET i wykorzystują wiele takich samych materiałów. Tranzystory MOSFET składają się z materiałów dielektrycznych, takich jak SiO ₂ i metalowych bramek. Metalowe bramki są izolowane od dielektrycznej bramki , co prowadzi do bardzo wysokiej rezystancji wejściowej. Składające się z trzech zacisków, źródła (lub wejścia), drenu (lub wyjścia) i bramki, tranzystory MOSFET mogą sterować przepływem prądu poprzez przyłożone napięcie (lub jego brak) do zacisku bramki, co zmienia barierę potencjału między warstwami i umożliwia (lub wyłącza) przepływ ładunku.

Zaciski źródła i drenu są podłączone do domieszkowanych obszarów tranzystora MOSFET, izolowanych przez obszar korpusu. Są to regiony typu p lub n, przy czym oba terminale są tego samego typu i przeciwne do typu ciała. Jeśli MOSFET jest n-kanałowym MOSFET-em, zarówno regiony źródła, jak i drenu są n +, a ciało jest regionem p . Jeśli MOSFET jest MOSFET-em z kanałem p, zarówno regiony źródła, jak i drenu są p +, a korpus jest regionem n . W n-kanałowym MOSFET-ie elektrony przenoszą ładunek przez region źródłowy, a dziury przenoszą ładunki w p-kanałowym źródle MOSFET-a.

Struktury FET są zwykle budowane stopniowo, warstwa po warstwie, przy użyciu różnych technik, takich jak epitaksja z wiązki molekularnej, epitaksja w fazie ciekłej i epitaksja w fazie pary, czego przykładem jest chemiczne osadzanie z fazy gazowej . Typowe tranzystory MOSFET są zbudowane w skali mikronowej. Wytrawianie chemiczne na mokro może być stosowane do tworzenia warstw o grubości 3 μm lub większej, podczas gdy techniki wytrawiania na sucho mogą być stosowane do uzyskiwania warstw w skali nanometrów. Gdy grubość warstwy zbliża się do 50 nanometrów lub mniej, długość fali de Broglie'a warstwy zbliża się do długości fali ztermalizowanego elektronu, a konwencjonalne relacje energia-pęd dla półprzewodników masowych już nie działają.

Ultracienkie warstwy półprzewodnikowe są wykorzystywane do produkcji QFET, których pasmo wzbronione jest mniejsze niż w otaczających materiałach. W przypadku jednowymiarowej studni kwantowej QFET, między dwiema warstwami izolacyjnymi rośnie nanoskalowa warstwa półprzewodnika. Warstwa półprzewodnika ma grubość d , a nośniki ładunku elektronowego są uwięzione w studni potencjału. Te elektrony i odpowiadające im dziury mają dyskretne poziomy energii, które można znaleźć, rozwiązując niezależne od czasu równanie Schrödingera, jak pokazano:

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

Nośniki ładunku można aktywować (lub dezaktywować) przez przyłożenie do zacisku bramki potencjału odpowiadającego odpowiedniemu poziomowi energii. Te poziomy energii zależą od grubości warstwy półprzewodnika i właściwości materiału. Obiecujący półprzewodnikowy kandydat do implementacji QFET, InGaAs , ma długość fali de Broglie'a około 50 nanometrów. Większe odstępy między poziomami energii można osiągnąć poprzez zmniejszenie grubości d warstwy. W przypadku InGaA uzyskano warstwy o długości około 20 nanometrów. W praktyce wytwarzane są trójwymiarowe studnie kwantowe, przy czym wymiary płaszczyzny warstwy d ₂ i d ₃ są znacznie większe w stosunku do wielkości. Odpowiedni stosunek energii do pędu elektronu opisuje wzór

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

q $pi \ ponad d_ {2 }},}$ re π $w$ które są wielkościami falowych każdym

QFET połączone z drutami kwantowymi podobnie ograniczają nośniki ładunku elektronów w studni potencjału, jednak charakter ich wąskiego kształtu geometrycznego umożliwia producentowi uwięzienie elektronów w dwóch wymiarach. Przewody kwantowe to zasadniczo kanały w systemie 1D, zapewniające ściślejsze ograniczenie nośników i przewidywalny przepływ prądu.

Tradycyjne tranzystory MOSFET, zbudowane z warstwy dwutlenku krzemu na wierzchu podłoża krzemowego, działają poprzez tworzenie spolaryzowanego złącza pn , które może być spolaryzowane do przodu lub do tyłu w obecności odpowiednio dodatniego lub ujemnego przyłożonego napięcia. W efekcie przyłożenie napięcia zmniejsza wysokość bariery potencjału między p i n i umożliwia przepływ ładunku w postaci dodatnio naładowanych „dziur” i ujemnie naładowanych elektronów.

Jednozłączowe QFET wykorzystują tunelowanie kwantowe w celu zwiększenia prędkości poprzez wyeliminowanie elektronicznego obszaru przewodzenia, który spowalnia nośniki nawet 3000 razy.

Teoria i zastosowanie do przyrządów optycznych

Zachowanie elementów składowych QFET można opisać prawami mechaniki kwantowej . W strukturach półprzewodnikowych ograniczonych kwantowo obecność nośników ładunku (dziur i elektronów) jest określana ilościowo na podstawie gęstości stanów . W przypadku trójwymiarowej studni kwantowej, często konstruowanej jako płaska warstwa o grubości od 2 nm do 20 nm, uzyskuje się gęstość stanów ρ do ( mi ) { $c} (E)}$ Displaystyle z dwuwymiarowego wektora ${\ Displaystyle (k_ {2} = {q_ {2} \ pi \ nad d_ {2}}, k_ {3} = {q_ {3} \ pi \ nad d_{3}})}$ , co odpowiada obszarowi w płaszczyźnie warstwy. Z relacji ${\ displaystyle Ek}$

${\ Displaystyle E = E_ {c} + {\ hbar ^ {2} k_ { 1}^{2} \ponad 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{2}^{2} \ponad 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{3}^{ 2} \ponad 2m_{c}}}$ , można pokazać, że ${\ Displaystyle {dE \ ponad dk} = \ hbar ^ {2} k / m_ {c}}$ , a zatem

${\ Displaystyle \ rho _ {c} (E) = {\ rozpocząć {przypadki} {m_ {c} \ nad \ pi \ hbar ^ {2} d_ {1}}, \\ 0, \ koniec {przypadków}} q_{1}=1,2,3,....}$

Podobnie energia jednowymiarowych nanodrutów jest opisana wektorami falowymi, jednak ze względu na ich geometrię do modelowania energii kinetycznej ruchu swobodnego wzdłuż osi koła potrzebny jest tylko jeden wektor k , ${\ displaystyle k_ {z}}$ drut:

${\ Displaystyle E (k_ {z}) = {\ hbar ^ {2} k_ {z} ^ {2} \ ponad 2m_ {c}}}$

Bardziej dokładny model energetyczny może być użyty do ilościowego określenia energii elektronów zamkniętych w dwóch wymiarach. Można przyjąć, że drut ma przekrój prostokątny d ₁ d ₂ , co prowadzi do nowej relacji energia-pęd:

${\ Displaystyle E = E_ {c} + {\ hbar ^ {2} (q_ {1} \ pi / d_ {1}) ^ {2} \ ponad 2m_ {c}} + {\ hbar ^ {2} ( q_{2}\pi /d_{2})^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k^{2} \over 2m_{c}}} , gdzie k jest$ wektorem element wzdłuż osi drutu.

Dwuwymiarowe druty kwantowe mogą mieć również kształt cylindryczny, przy czym typowe średnice mieszczą się w okolicach 20 nm.

W przypadku kropek kwantowych, które są ograniczone do jednego wymiaru, energia jest kwantowana jeszcze bardziej:

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

Geometryczne właściwości kropek kwantowych są różne, jednak typowe cząstki kropek kwantowych mają wymiary w zakresie od 1 nm do 50 nm. Ponieważ ruch elektronów jest dalej ograniczany z każdą kolejną kwantyzacją wymiarową, podpasma pasm przewodnictwa i walencyjnego stają się węższe.

Trójbramkowa studnia kwantowa III-V MOSFET (Datta, K. & Khosru, Q.)

Wszystkie półprzewodniki mają unikalną strukturę pasma przewodnictwa i walencyjnego . W z bezpośrednią przerwą wzbronioną minimalne energie pasma przewodnictwa i maksimum pasma walencyjnego występują przy tej samej liczbie falowej k , odpowiadającej temu samemu pędowi. QFET ze strukturami studni kwantowych mają pasma przewodnictwa, które są podzielone na liczne podpasma, które odpowiadają ich odpowiednim liczbom kwantowym q = 1, 2, 3, ... i oferują wyższą gęstość stanów przy najniższym dozwolonym paśmie przewodnictwa i najwyższym dozwolonych poziomów energii w paśmie walencyjnym niż MOSFET, co prowadzi do interesujących właściwości, szczególnie w ich właściwościach optycznych i zastosowaniach. W przypadku urządzeń ze studniami kwantowymi używanymi w diody laserowe , fotony oddziałują z elektronami i dziurami poprzez przejścia między pasmami walencyjnymi i przewodnictwa. Przejścia z interakcji fotonów w półprzewodnikach ze studniami kwantowymi są regulowane przez przerwy energetyczne między podpasmami, w przeciwieństwie do ogólnej przerwy energetycznej klasycznych półprzewodników.

Motywacja

Projekt koncepcyjny tranzystora polowego (FET) został po raz pierwszy sformułowany w 1930 roku przez JE Lilienfelda. Od pojawienia się pierwszego krzemowego FET 30 lat później przemysł elektroniczny odnotował szybki i przewidywalny wykładniczy wzrost zarówno gęstości tranzystorów, jak i możliwości przetwarzania informacji. Zjawisko to, znane jako prawo Moore'a , odnosi się do obserwacji, że liczba tranzystorów, które można umieścić w układzie scalonym, podwaja się co około dwa lata.

Szybkie kwantowe tranzystory FET zostały zaprojektowane w celu przezwyciężenia technologii 0,2 μm uważanej za praktyczne ograniczenie konwencjonalnej technologii półprzewodnikowej. W ten sposób tranzystory QFET zwiększają szybkość logiki dziesięciokrotnie i o ten sam współczynnik zmniejszają zapotrzebowanie na moc i rozmiar tranzystora. Te wzrosty sprawiają, że urządzenia QFET są wykorzystywane w opracowywaniu narzędzi do automatyzacji projektowania, które korzystają z małej mocy, niewielkich rozmiarów i dużej szybkości.

Zobacz też