Основы спинтроники

Туннельный спин-вентильный транзистор

Вариантом описанного транзистора с металлической базой является туннельный спин-вентильный транзистор, структура которого, соответствующая энергетическая диаграмма и схема подключения эскизно показаны на рис. 1.5 . На пластину полупроводника, в данном случае GaAs, являющуюся коллектором транзистора, нанесена тонкая (порядка 10 нм) пленка "свободного" ферромагнетика (СФМ), который является металлической базой, сверхтонкая (порядка 1 нм) пленка изолятора, в данном случае , являющаяся туннельным барьером, и более толстая (порядка 30 нм) пленка "фиксированного" ферромагнетика (ФФМ), который является эмиттером транзистора.

Рис. 1.5. Эскизная схема и энергетическая диаграмма туннельного спин-вентильного транзистора

Между "свободным" ферромагнетиком (СФМ) и полупроводником образуется барьер Шоттки. Источники напряжения между эмиттером и базой U_ЭБ и между базой и коллектором U_БК вызывают смещение уровней Ферми в эмиттере (E_ФЭ) и в коллекторе (E_ФК) относительно уровня Ферми в базе (E_ФБ). Спин-зависимое туннелирование электронов сквозь пленку изолятора обеспечивает зависимость токов от взаимной ориентации направлений намагничивания "свободного" и "фиксированного" ферромагнетика, а следовательно, и чувствительность транзистора к внешнему магнитному полю. Баллистический характер прохождения электронов проводимости сквозь тонкую базу (ее толщина меньше длины свободного пробега электронов между рассеяниями) обеспечивает высокое быстродействие – до нескольких терагерц. Характер зависимости коллекторного тока I_К от напряженности внешнего магнитного поля подобен зависимости, показанной на рис. 1.4 .

Спин-транзистор с полупроводниковой базой

Пример спин-транзистора с полупроводниковой базой показан на рис. 1.6 . На окисленную сверху основу из кремния (Si – осн.) нанесен слой кремния (р-Si) который сверху тоже окислен (SiО₂). В окисле вытравлено „окно", через которое нанесена очень тонкая (порядка 2 нм) пленка нитрида кремния (Si₃N₄). Выше нанесен слой "свободного" ферромагнетика (СФМ), являющийся коллектором транзистора, и слой металлизации (Al) для формирования внешнего вывода (К). Одновременно сформирован и внешний вывод базы (Б). С противоположной (нижней) стороны основы (Si – осн.) также вытравлено сквозное "окно" в Si (осн.) и в (SiО₂), и нанесена очень тонкая пленка нитрида кремния (Si₃N₄).

Рис. 1.6. Структура спин-транзистора с полупроводниковой базой

Дальше нанесен слой "фиксированного" ферромагнетика (ФФМ), являющегося эмиттером транзистора. Внешние выводы от эмиттера (Э) и от коллектора (К) выполнены из алюминия. Пленки нитрида кремния (Si₃N₄) выполняют функции туннельных переходов база-коллектор и база–эмиттер. Они улучшают эмиссию спин-поляризованных электронов из ФФМ в базу, и их "вытягивание" электрическим полем из базы в коллектор.

Схема применения такого транзистора "с общим эмиттером" показана на рис. 1.7 . Стрелками на выводах эмиттера и коллектора условно показано, в каком из них ферромагнетик является фиксированным (↑), а в каком – свободным (↑ ↓). Выходная характеристика такого транзистора тоже зависит от внешнего магнитного поля. Как и предыдущие варианты транзистора, он имеет внутреннюю энергонезависимую память.

Рис. 1.7. Схема включения спин-транзистора с полупроводниковой базой в варианте "с общим эмиттером"

Спиновый полевой транзистор

Еще в 1990 г. был описан один из вариантов спинового полевого транзистора с использованием релятивистского эффекта. Структура такого транзистора показана на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Структура спинового полевого транзистора

Она похожа на структуру МДП транзистора, но исток и сток сделаны из ферромагнитных материалов, намагниченных в одинаковом направлении. Они соединены тонким каналом инверсной проводимости, через который проходят инжектированные из ферромагнетика электроны, у большинства из которых спин ориентирован параллельно намагниченности ферромагнетика. Как и в МДП транзисторе, величина тока сквозь канал зависит от напряжения на затворе. Если один из ферромагнетиков сделать "свободным", то электрическим током стока можно управлять также и с помощью внешнего магнитного поля. На зависимости тока от напряженности магнитного поля наблюдается гистерезис (как на рис. 1.4). И у транзистора, как было описано выше, появляется внутренняя магнитная память.

Однако здесь открылась еще одна интересная возможность. Если электрическое сопротивление канала достаточно велико, то между истоком и стоком можно приложить значительное напряжение, которое будет ускорять электроны, движущиеся вдоль канала. Когда они достигают скорости v > 10⁶ м/с, становится ощутимым релятивистский эффект. Ведь в собственной системе отсчета электрона приложенное к затвору напряжение создает не только электрическое поле с напряженностью E , но и (в соответствии с теорией относительности) перпендикулярное к нему магнитное поле H, пропорциональное векторному произведению . Это магнитное поле, направленное перпендикулярно к плоскости изображения, действует на электроны, и может поворачивать их спины. Если направление намагниченности ферромагнетиков лежит в плоскости изображения, то магнитный момент электронов поворачивается тоже в этой плоскости, как показано на рис. 1.8 справа (кружочек с точкой в центре показывает ориентацию вектора напряженности магнитного поля H). В случае, когда электроны долетают до стока со спинами, повернутыми на 180 °, они не проходят сквозь ферромагнетик стока, и ток сквозь транзистор резко уменьшается. В промежуточных случаях ток стока является периодической функцией напряжения на затворе.

Спинтронное реле

Опишем еще одно спинтронное устройство, показанное на рис. 1.9 , который авторы называют тоже "спин-транзистором". Оно состоит из магнитного туннельного перехода (МТП) 1 и расположенной непосредственно над ним входной шины 2. Первый МТП (1) включается последовательно с вынесенной выходной шиной 4 и внешним источником напряжения 5.

Рис. 1.9. Структура спинтронного реле: 1 – первый магнитный туннельный переход (МТП); 2 – входная шина; 3 –внешний источник тока; 4 – выходная шина; 5 – внешний источник напряжения; 6 – второй МТП

Зависимость выходного тока (І_ВЫХ.1) от входного (І_ВХ) показана на рис. 1.10 .

Рис. 1.10. Статическая выходная характеристика спинтронного реле

Пусть в исходном состоянии "свободный" и "фиксированный" ферромагнетики МТП намагничены в одинаковом направлении, электрическое сопротивление МТП мало и выходной ток І_ВЫХ.1 значительный (точка 1 на характеристике). Если увеличивать входной ток, то возрастает и создаваемое им магнитное поле. Когда оно достигает значения коэрцитивной силы "свободного" ферромагнетика (точка 2), то последний перемагничивается в противоположное направление, электрическое сопротивление МТП резко возрастает, и выходной ток уменьшается. В дальнейшем это состояние (точка 3) запоминается. Лишь в том случае, если во входную шину подать ток противоположного направления и увеличивать его, то при достижении критического значения (точка 4) "свободный" ферромагнетик перемагничивается в противоположное направление, электрическое сопротивление МТП уменьшается, и выходной ток резко возрастает. Это состояние (точка 5) тоже запоминается.

Такое поведение больше похоже на поведение хорошо забытых электромеханических реле, которые являлись основой всей электроавтоматики во второй четверти ХХ в. Поэтому описанное устройство мы будем называть не "спин-транзистором", а спинтронным реле.

Благодаря внешнему источнику напряжения 5 (возвращаемся к рис. 1.9 ) выходной ток (І_ВЫХ.1) может быть больше, чем входной ток (І_ВХ). Вынесенная выходная шина 4 может быть входной шиной следующего МТП (6), который может быть по своим размерам крупнее и, следовательно, может пропускать ток еще больший. На выходе этого „второго каскада" можно получить электрический ток в сотни раз больше „управляющего" входного тока (І_ВХ).

Работу спинтронного реле в динамике показывает рис. 1.11 . Главным показателем здесь является время переключения t_П, которое характеризует скорость срабатывания реле. В зависимости от сопротивления и паразитных емкостей соединений это время может составлять от десятков пикосекунд до десятков наносекунд.

Рис. 1.11. Работа спинтронного реле в динамике – зависимость выходного электрического тока реле от времени

Если над входной шиной 2 ( рис. 1.9 ) разместить еще одну независимую входную шину, то можно реализовать логические функции "&", "" и прочие. А если на выходе последовательно включить две выходные шины 4, то можно разветвлять логические цепи. Соответствующие логические схемы мы описывать не будем, поскольку, скорее всего, они не являются оптимальными "спинтронными" схемами. Ведь схемотехника спинтроники продолжает активно развиваться.