Новости науки | ||||
04.07.02. Многофункциональный транзистор на углеродной нанотрубке | ||||
Транзисторы на углеродных нанотрубках уже стали реальностью,
однако экспериментальные образцы таких устройств еще далеки от той стадии, когда можно
говорить об отработанной технологии и промышленном производстве. Теоретики, со своей
стороны, также продолжают исследование возможностей таких транзисторов. В недавней работе
американских ученых показано, что наноразмерный полевой транзистор, в котором каналом
является одностенная углеродная нанотрубка, может работать также в нетипичном для устройств
подобного рода режиме.
Одним из ведущих центров по разработке и исследованию транзисторов на углеродных
нанотрубках является фирма IBM. Недавно мы писали об очередном успехе сотрудников
исследовательского центра IBM имени Т.Уотсона - наиболее совершенном из всех
созданных полевых транзисторов на углеродных нанотрубках . Теоретики, работающие в
исследовательском центре IBM, также трудятся, не покладая рук, - в недавно вышедшей работе,
посвященной "нанотрубным" транзисторам, показано, что полевые транзисторы на углеродных
нанотрубках могут работать и в резонансно-туннельном режиме, не свойственном обычным
полевым транзисторам [1].
В полевых транзисторах управление током через транзистор (ток течет от истока к стоку по
"каналу"; в нанотрубном транзисторе в качестве канала служит углеродная нанотрубка),
осуществляется с помощью электрического поля, перпендикулярного току. Схематически сечение
транзистора с одностенной углеродной нанотрубкой (диаметр нанотрубки около 1.5 нм),
используемой в качестве канала, рассмотренного в работе американских ученых, показано на
рис.1. Слева и справа металлические электроды (исток и сток, соответственно), они разделены
слоем диэлектрика толщиной 10 нм, поверх которого нанесен третий электрод (затвор), с
помощью него осуществляется управление током, текущим от истока к стоку.
Расчеты показывают, что в определенном диапазоне напряжений, прикладываемых к затвору,
канал является практически полностью открытым (рис.2a, облаcть I; зонная диаграмма при
напряжении затвора VG = - 4 В показана на рис.2b) - благодаря малой длине
нанотрубки электроны проходят нанотрубку баллистически (без рассеяния). При изменении
напряжения проводимость падает практически до нуля вследствие образования потенциального
барьера для дырок (рис.2a, облаcть II; соответствующая зонная диаграмма показана на рис.2c) -
канал, соответственно, закрыт. Будучи превосходным полевым "стандартным" транзистором в
диапазоне напряжений I и II, рассматриваемый нанотрубный транзистор может, кроме того,
работать в несвойственном для такого рода устройств в резонансно-туннельном режиме.
В определенном диапазоне напряжений проводимость быстро растет с ростом
VG и также быстро падает практически до нуля при дальнейшем увеличении
VG (область III на рис.2a). Возникающий резонансный эффект объясняется
следующим образом: по мере увеличения напряжения затвора глубина потенциальной ямы
увеличивается (cравните рисунки 2c и 2d), при этом в трехмерной потенциальной яме возникают
квантованные уровни энергии (они схемалически показаны на рис. 2d горизонтальными
линиями); значение VG при котором наинизший уровень энергии в потенциальной
яме совпадает с положением уровня Ферми, соответствует максимальному значению
проводимости - в этом случае имеет место резонансное туннелирование электронов. Причем
вследствие малых размеров устройство работает (даже при комнатной температуре!) в режиме так
называемой кулоновской блокады
.
Несмотря на заманчивые перспективы, рисуемые теоретиками, и впечатляющие успехи
экспериментаторов, день, когда транзисторы на углеродных нанотрубках смогут побороться за
первенство на рынках с традиционными транзисторами, наступит еще не скоро. Одним из
основных препятствий на пути из лаборатории к промышенному производству является отсутсвие
технологии производства транзисторов на нанотрубках, обладающей хорошей
воспроизводимостью, хотя и на этом направлении уже имеются определенные успехи .
1. Francois Leonard and J.Tersoff. Phys.Rev.Lett., v.88, 258302 (2002).
| ||||
|