Опубликован: 22.01.2014 | Доступ: свободный | Студентов: 257 / 3 | Длительность: 16:29:00
ISBN: 978-5-9556-0167-0
Специальности: Разработчик аппаратуры
Лекция 6:

Применения УНТ и фуллеренов в информатике

< Лекция 5 || Лекция 6: 123456 || Лекция 7 >

Аналоги КМДП транзисторов на основе УНТ

Ширина запрещенной зоны большинства УНТ не превышает 1 эВ. Оказалось, что это позволяет эффективно использовать различие в работе выхода электронов из разных металлов. Ведь от этого параметра зависит значение напряжения закрывания транзистора U_{\text{ЗАКР}}. Используя для изготовления затвора одного транзистора палладий, а другого – алюминий, удалось на одной нанотрубке построить инвертор, являющийся аналогом КМДП инвертора.

Слева – структура инвертора на комплементарных УНТ транзисторах; в центре – эквивалентная электрическая схема инвертора; справа – передаточная характеристика

Рис. 6.7. Слева – структура инвертора на комплементарных УНТ транзисторах; в центре – эквивалентная электрическая схема инвертора; справа – передаточная характеристика

Структура такого инвертора показана на рис. 6.7 слева. На подложке из кремния 1, покрытого слоем окисла 2, формируют металлические электроды 3, 4 и 5, на которые сверху накладывают полупроводниковую УНТ 6. После нанесения тонкого слоя подзатворного диэлектрика 7 формируют затворы из палладия (Pd) и из алюминия (Аl). Потенциалы закрывания U_{\text{ЗАКР(1,2)}} полевых транзисторов с такими затворами отличаются больше, чем на половину ширины запрещенной зоны нанотрубки. Поэтому при подключении по схеме, показанной на рис. 6.7 в центре, наблюдается следующая картина.

Когда на вход инвертора подается отрицательное напряжение U_{\text{ВХ,0}}\approx -1 В, оно оказывается существенно ниже потенциала закрывания U_{\text{ЗАКР,1}} транзистора с затворным электродом из палладия, и поэтому часть УНТ под этим электродом становится проводящей с проводимостью p-типа (ситуация, показанная на рис. 6.2 в центре). В то же время входное напряжение U_{\text{ВХ,0}}\approx -1 В приблизительно равно потенциалу закрывания U_{\text{ЗАКР,2}} транзистора, затворный электрод которого изготовлен из алюминия, и поэтому часть УНТ под этим электродом становится не проводящей, т.е. закрывается (ситуация, показанная на рис. 6.2 слева). В результате напряжение на выходе инвертора приближается к напряжению питания +U.

Когда на вход инвертора подано положительное напряжение U_{\text{ВХ,1}}\approx +1 В, оно оказывается близким к потенциалу закрывания U_{\text{ЗАКР,1}} транзистора с затворным электродом из палладия, и поэтому часть УНТ под этим электродом закрывается (ситуация, показанная на рис. 6.2 слева). В то же время входное напряжение U_{\text{ВХ,1}}\approx 1 В существенно выше потенциала закрывания U_{\text{ЗАКР,2}} транзистора с затворным электродом из алюминия, и поэтому часть УНТ под этим электродом становится электропроводящей с проводимостью n-типа (ситуация, показанная на рис. 6.2 справа). В результате напряжение на выходе инвертора приближается к напряжению питания -U.

Зависимость выходного напряжения инвертора от напряжения на входе показана на рис. 6.7 справа.

Инвертор на УНТ работает аналогично известному инвертору на КМДП транзисторах. В статическом режиме он практически не потребляет ток, поскольку один из транзисторов закрыт. Мощность потребляется лишь при переключениях и тратится на перезаряд паразитных емкостей, которые в молекулярных схемах могут быть достаточно малыми. От этого зависит и быстродействие логических схем, построенных на УНТ. По аналогии с КМДП логикой, логические схемы, построенные на описанном принципе, можно назвать "комплементарной УНТ логикой" (КУНТ логикой).

УНТ с Y-разветвлением

В некоторых работах показано, что можно специально выращивать полупроводниковые УНТ, разветвленные в форме буквы "Y". Для этого при химическом выращивании УНТ в реактор в определенный момент времени впрыскивают мельчайшие наночастицы железа, легированного титаном. Оседая на нанотрубку, такая наночастица становится катализатором роста дополнительной ветви, так что дальше растут уже две нанотрубки несколько меньшего диаметра ( рис. 6.8, слева).

Слева – изображение в атомном силовом микроскопе УНТ с Y-разветвлением; в центре – схема формирования электродов к такой УНТ; справа – условное изображение транзистора

Рис. 6.8. Слева – изображение в атомном силовом микроскопе УНТ с Y-разветвлением; в центре – схема формирования электродов к такой УНТ; справа – условное изображение транзистора

Если к концам такой "Y-УНТ" присоединить электроды так, как показано на рис. 6.8 в центре, то она работает как полевой транзистор, эквивалентная схема которого показана справа. Наночастица железа, оставшаяся в месте стыка "стебля" нанотрубки с ее "ветвями", пропускает электрический ток из одной ветви в другую лишь тогда, когда на "стебель", играющий здесь роль затвора, подается положительный потенциал. Когда же на "стебель" подается отрицательный потенциал, электрический ток в другую ветвь не проходит. Промежуточных значений тока зафиксировать не удалось, поскольку ток включался и выключался скачком. Т.е. "Y-УНТ" является вентилем электрического тока, максимально интегрированным уже при изготовлении.

Зависимость электропроводности УНТ от магнитного поля

УНТ с металлической проводимостью, как оказалось, тоже могут стать полупроводниковыми в достаточно сильном внешнем магнитном поле, направленном вдоль оси УНТ. Это – чисто квантовый эффект. При этом ширина запрещенной зоны УНТ зависит от величины магнитного потока сквозь ее отверстие. Такая зависимость показана на рис. 6.9. Вдоль горизонтали здесь отложен магнитный поток сквозь поперечное сечение трубки в единицах кванта магнитного потока


\Phi_0=\frac{h}{2e}=2,07*10^{-15}\textit{ Вб},
( 6.1)
где h и e – соответственно постоянная Планка и заряд электрона. Магнитный поток сквозь поперечное сечение нанотрубки

\Phi=BS=B\cdot\frac{\pi D^2}{4},
( 6.2)
где B – магнитная индукция, D – диаметр нанотрубки, S – площадь ее сечения. Значение \Phi=0,5\Phi_0 достигается при магнитной индукции

B=\frac{2\Phi_0}{\pi D^2}.
( 6.3)

Зависимость ширины запрещенной зоны УНТ от магнитного потока сквозь ее поперечное сечение

Рис. 6.9. Зависимость ширины запрещенной зоны УНТ от магнитного потока сквозь ее поперечное сечение

Эта величина тем меньше, чем больше диаметр УНТ. При D = 30 нм магнитный поток в половину кванта достигается при B = 5,85 Т. Т.е. сопротивление резистора на УНТ или характеристики транзистора на УНТ можно существенно регулировать магнитным полем лишь в случае трубок большого диаметра. На этом принципе могут работать наноразмерные датчики сильных магнитных полей. Поведение же электронных схем на УНТ малых диаметров мало чувствительно к внешнему магнитному полю.

Наноэлектромеханические реле на основе УНТ

Интересным вариантом логических схем на основе УНТ является широко известная когда-то "релейная логика" с использованием теперь уже наноэлектромеханических реле. Изображение такого реле в растровом электронном микроскопе показано на рис. 6.10. Ко входному электроду 1 "приварен" входной конец УНТ (2) с металлической проводимостью. С обеих сторон от УНТ расположены металлические управляющие электроды 3. Расстояние между ними порядка 1 мкм.

Изображение наноэлектромеханического реле в растровом электронном микроскопе: 1 – входной электрод; 2 – УНТ; 3 – управляющие электроды; 4, 5 – выходные электроды. Слева – реле в нейтральном положении, справа – реле замкнуто на электрод 4

Рис. 6.10. Изображение наноэлектромеханического реле в растровом электронном микроскопе: 1 – входной электрод; 2 – УНТ; 3 – управляющие электроды; 4, 5 – выходные электроды. Слева – реле в нейтральном положении, справа – реле замкнуто на электрод 4

Если электрического напряжения между электродами 3 нет, то УНТ 2 находится в нейтральном положении, и свободный ее конец не контактирует ни с одним из выходных электродов (4 и 5). Если же между управляющими электродами 3 приложить небольшое электрическое напряжение (1-2 В), то УНТ притягивается к "положительному" электроду, так как туда притягиваются все электроны общей молекулярной \pi-орбитали.

На рис. 6.10 справа показан случай, когда положительное напряжение приложено к верхнему управляющему электроду. Свободный конец УНТ контачит с выходным электродом 4.

В нейтральном положении ток на выходе равен нулю, при замыкании через УНТ может протекать электрический ток порядка 1 мкА. Время переключения определяется лишь скоростью перезарядки паразитных емкостей и может быть порядка пикосекунд.

< Лекция 5 || Лекция 6: 123456 || Лекция 7 >
Екатерина Шубина
Екатерина Шубина

Где можно посмотреть информацию о физических ограничениях на значения характеристик компьютеров

Сергей Ронин
Сергей Ронин
Россия
Антон Хотулёв
Антон Хотулёв
Россия