QFET

Квантовый полевой транзистор ( QFET ) или квантово-размерный полевой транзистор ( QWFET ) — это тип MOSFET ( полевой транзистор металл-оксид-полупроводник ) ^{[1] [2] [3]} , который использует квантовое туннелирование для значительного увеличения скорости работы транзистора за счет устранения традиционной области электронной проводимости транзистора, которая обычно вызывает замедление носителей в 3000 раз. Результатом является увеличение логической скорости в 10 раз с одновременным уменьшением потребляемой мощности компонента и размера также в 10 раз. Это достигается с помощью производственного процесса, известного как быстрая термическая обработка (RTP), в котором используются сверхтонкие слои конструкционных материалов. ^[4]

Буквы «QFET» в настоящее время также существуют как зарегистрированное название серии МОП-транзисторов, производимых Fairchild Semiconductor (составлено в ноябре 2015 года), которые содержат фирменную технологию двойной диффузии металл-оксид-полупроводник (DMOS), но которые, по сути, не являются квантовыми (в данном случае Q означает «качество»).

Современные примеры квантовых полевых транзисторов объединяют структуры, традиционные для обычных МОП-транзисторов, и используют многие из тех же материалов. ^[5] МОП-транзисторы состоят из диэлектрических материалов, таких как SiO ₂ , и металлических затворов. ^[6] Металлические затворы изолированы от диэлектрического слоя затвора, что приводит к очень высокому входному сопротивлению. ^[7] Состоящие из трех выводов, источника (или входа), стока (или выхода) и затвора, МОП-транзисторы могут управлять током посредством приложенного напряжения (или его отсутствия) к выводу затвора, что изменяет потенциальный барьер между слоями и включает (или выключает) поток заряда. ^[8]

Клеммы истока и стока подключены к легированным областям МОП-транзистора, изолированным областью тела. Это области p- или n-типа, причем обе клеммы имеют одинаковый тип и противоположны типу тела. Если МОП-транзистор является n-канальным МОП-транзистором, то области истока и стока имеют заряд n +, а тело представляет собой p- область. Если МОП-транзистор является p-канальным МОП-транзистором, то области истока и стока имеют заряд p +, а тело представляет собой n- область. В n-канальном МОП-транзисторе электроны переносят заряд через область истока, а дырки переносят заряд в p-канальном МОП-транзисторе.

Структуры FET обычно строятся постепенно, слой за слоем, с использованием различных методов, таких как молекулярно-лучевая эпитаксия, жидкофазная эпитаксия и парофазная эпитаксия, примером чего является химическое осаждение из паровой фазы . ^[9] Типичные MOSFET строятся в микронном масштабе. Мокрое химическое травление может использоваться для создания слоев толщиной 3 мкм или больше, в то время как методы сухого травления могут использоваться для получения слоев в нанометровом масштабе. ^[10] Когда толщина слоя приближается к 50 нанометрам или меньше, длина волны де Бройля слоя приближается к длине волны термализованного электрона, и обычные соотношения энергии и импульса для объемных полупроводников больше не работают. ^[9]

Сверхтонкие полупроводниковые слои используются при производстве QFET, ширина запрещенной зоны которых меньше, чем у окружающих материалов. В случае одномерного квантового ямы QFET наноразмерный полупроводниковый слой выращивается между двумя изолирующими слоями. Полупроводниковый слой имеет толщину d , а электронные носители заряда захватываются в потенциальной яме. 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 могут быть активированы (или деактивированы) путем приложения потенциала к выводу затвора, который соответствует соответствующему уровню энергии. Эти уровни энергии зависят от толщины полупроводникового слоя и свойств материала. Перспективный полупроводниковый кандидат для реализации QFET, InGaAs , имеет длину волны де Бройля около 50 нанометров. Больших зазоров между уровнями энергии можно добиться, уменьшив толщину слоя d . В случае InGaAs были достигнуты длины слоев около 20 нанометров. ^[11] На практике создаются трехмерные квантовые ямы, при этом размеры плоскости слоя, d ₂ и d ₃ , значительно больше по относительному размеру. Соответствующее соотношение энергии-импульса электрона описывается следующим образом:

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

Значения k в этом соотношении соответствуют и , которые являются величинами волновых векторов в каждом измерении.${\displaystyle {q_{1}\пи \над d_{1}},{q_{2}\пи \над d_{2}},}$${\displaystyle {q_{3}\пи \над d_{3}}}$

QFET, организованные с помощью квантовых проводов, аналогичным образом ограничивают электронные носители заряда в потенциальной яме, однако природа их узкой геометрической формы позволяет производителю захватывать электроны в двух измерениях. ^[12] Квантовые провода по сути являются каналами в одномерной системе, обеспечивая более плотное ограничение носителей и предсказуемый ток. ^{[9] [13]}

Традиционные МОП-транзисторы, построенные со слоем диоксида кремния поверх кремниевой подложки, работают, создавая смещенный pn-переход , который может быть смещен в прямом или обратном направлении при наличии положительного или отрицательного приложенного напряжения соответственно. ^[9] По сути, приложение напряжения уменьшает высоту потенциального барьера между p- и n- областями и позволяет заряду течь в форме положительно заряженных «дырок» и отрицательно заряженных электронов.

В однопереходных QFET для увеличения скорости используется квантовое туннелирование за счет устранения области электронной проводимости, что замедляет носители заряда до 3000 раз.

Поведение строительных блоков QFET можно описать законами квантовой механики . В квантово-ограниченных полупроводниковых структурах наличие носителей заряда (дырок и электронов) количественно определяется плотностью состояний . ^[9] Для случая трехмерной квантовой ямы, часто конструируемой как плоский слой толщиной от 2 нм до 20 нм, плотность состояний получается из двумерного вектора , который соответствует площади в плоскости слоя. Из соотношения,${\displaystyle \rho _{c}(E)}$${\displaystyle (k_{2}={q_{2}\пи \над d_{2}},k_{3}={q_{3}\пи \над d_{3}})}$${\displaystyle Эк}$

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

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

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

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

Более точная энергетическая модель может быть использована для количественной оценки энергии электронов, ограниченных в двух измерениях. Можно предположить, что провод имеет прямоугольное поперечное сечение d ₁ d ₂ , что приводит к новому соотношению энергии и импульса:

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

Двумерные квантовые провода также могут иметь цилиндрическую форму, а их обычные диаметры составляют около 20 нм. ^[14]

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

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

Геометрические свойства квантовых точек различаются, однако типичные частицы квантовых точек имеют размеры от 1 нм до 50 нм. Поскольку движение электронов еще больше ограничивается с каждым последующим размерным квантованием, подзоны зон проводимости и валентных зон становятся уже.

Все полупроводники имеют уникальную структуру зоны проводимости и валентной зоны . В полупроводниках с прямой запрещенной зоной минимальная и максимальная энергии зоны проводимости и валентной зоны возникают при одном и том же волновом числе k , что соответствует одному и тому же импульсу. ^{[15] [9]} QFET со структурами квантовых ям имеют зоны проводимости, которые разделены на многочисленные подзоны, которые соответствуют их соответствующим квантовым числам q = 1, 2, 3,... и предлагают более высокую плотность состояний на их самых низких разрешенных уровнях энергии зоны проводимости и самых высоких разрешенных уровнях энергии валентной зоны, чем MOSFET, что приводит к интересным свойствам, особенно в их оптических характеристиках и приложениях. Для устройств с квантовыми ямами, используемых в лазерных диодах , 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 энергетической щели классических полупроводников.

Концептуальная конструкция полевого транзистора (FET) была впервые сформулирована в 1930 году Дж. Э. Лилиенфельдом. ^[16] С момента появления первого кремниевого FET 30 лет спустя электронная промышленность увидела 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 можно разместить в интегральной схеме, 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, QFET увеличивают скорость логики в десять раз и уменьшают требования к питанию и размер транзистора в том же размере. Эти увеличения позволяют использовать устройства QFET в разработке инструментов автоматизации проектирования, которые выигрывают от низкой мощности, малого размера и высокой скорости. ^[17] Недавно топологический квантовый полевой транзистор (TQFET) открыл новую парадигму для переключения с низкой энергией из-за внутренних квантовых явлений. TQFET обладает способностью преодолевать тиранию Больцмана благодаря эффекту Рахсбы ^[18] и эффекту отрицательной емкости ^[19] , а также обещает миниатюризацию посредством эффектов квантового ограничения. ^[20]

• Список применений MOSFET
• Квантовые вычисления
• Квантовая яма