Материал: 1382

26

свойств изменяется спектр излучения и поглощения, локальные емкости (~1000 ф/г). Одним из механизмов этих явления является формирование локальных центров твердых растворов, центров неустойчивости абсорбционного равновесия в кристаллической решетке.

На рис. 4.15 представлена структура квантового транзистора.

Рисунок 4.15 - Структура квантового транзистора и его зонная диаграмма

При нулевом напряжении затвор-исток для нормально закрытого транзистора выполняется условие VG>VB. , где VG – высота потенциального барьера затворканал; VB – высота потенциального барьера каналподложка. Для транзистора с характеристиками λ-типа VG<VB. Модуль разности напряжений между барьерами (UG –UB) определяет наличие или отсутствие энергетических уровней в канале. При превышении напряжения более порогового в канале появляются уровни и транзистор открывается. При дальнейшем изменении модуля разности энергетические уровни вытесняются из квантовой ямы и транзистор закрывается. Изменением процентного содержания алюминия и галлия меняют разновидности квантовых транзисторов и их передаточные характеристики.

4.8.2 Технология одноэлектронных приборов

Принципиальная схема одноэлектронного транзистора представлена на рис.4.16. Теория одноэлектронного транзистора предложена К.К. Лихаревым в приближении, что энергию туннельного перехода между двумя металлическими контактами E можно рассмотреть как энергию конденсатора C.

где Q – заряд на обкладках конденсатора; С – емкость системы.

27

Рисунок 4.16 - Схема одноэлектронного транзистора

Так как заряд электрона – дискретная величина, минимальное значение изменения энергии ∆E составит:

минимальное изменение энергии было больше температурных флуктуаций:

где k – постоянная Больцмана

Кроме того, это изменение должно превышать квантовые

Одно из важнейших предположений теории одноэлектронного туннелирования состоит в том, что начальный заряд на туннельном переходе Q может быть отличным от нуля и принимать значения не кратные числу электронов, а от –е/2 до + е/2 (кратные спину – направлению вращения электрона). Для обеспечения туннелирования необходимо преодолеть силу кулоновского отталкивания электронов для напряжения V=Q/C в пределах от –е/(2С) до +е/(2С). Эффект отсутствия тока при приложении напряжения называется эффектом кулоновской блокады. В этих условиях невозможно туннелирование из-за кулоновского отталкивания электронов. Напряжение, которое необходимо приложить к переходу для преодоления кулоновской блокады называют напряжением отсечки.

28

Конструкции одноэлектронных приборов весьма различны, однако их можно классифицировать по нескольким признакам.

По направлению протекания тока конструкции делятся на горизонтальные (латеральные) и вертикальные.

По способу формирования квантовой точки бывают приборы на постоянных и временных квантовых точках. Постоянная квантовая точка представляет собой кластер из металла или полупроводника. Временная квантовая точка создается в электронном газе путем приложения напряжения. Приборы на временных квантовых точках по способу формирования двумерного электронного газа делятся на инверсные и гетероструктурные. В инверсных приборах двумерный электронный газ образуется в приповерхностных инверсных каналах при наложении напряжения на прибор. В гетероструктурных приборах двумерный электронный газ сосредоточен на границе.

По количеству квантовых точек приборы могут быть нуль –

(одноточечные), одно – (цепочка точек) и двумерные (массив точек).

По управляемости параметрами квантовых точек приборы делятся на неуправляемые (двухэлектродные) и управляемые (многоэлектродные), с одним или несколькими затворами. Такие приборы могут работать при температурах выше 77 К.

На рис.4.17 Представлены схемы формирования одноэлектронного устройства памяти и одноэлектронного транзистора.

Рисунок 4.17 - а) схема формирования одноэлектронного устройства памяти, б) схема формирования одноэлектронного транзистора.

Реализация подобных одноэлектронных приборов проводится с использованием прецизионной литографии, сканирующей туннельной микроскопии. Такие приборы имеют достаточно большие размеры, на работают до температуры 28 К.

Прибор изготавливается следующим образом. На поликристаллический Si наносится слой SiO2. При помощи электронной литографии и реактивного ионного травления формируют островок Si –

29

SiO2 высотой 30 нм (квантовая точка). Далее проводится термическое окисление для получения тонкого (2 нм) слоя оксида на боковой поверхности островка. Затем наносят еще один слой поликремния и формируют подводящие контакты (шириной 100 нм) методом литографии

иионного травления.

4.8.3Технология оптоэлектронных элементов

Ктаким элементам можно отнести световоды, элементы на поверхностных акустических волнах (ПАВ), волноводы, переключатели, микросхемы, работа которых основана на взаимодействии излучений оптического и радиочастотного диапазона.

Эффекты, реализуемые на оптоэлектронных элементах

Пьезоэффект – это явление появления ЭДС при деформации кристалла.

Пироэффект – это явление появления ЭДС при нагревании кристалла.

Фотоупругий эффект – это появление пространственно неоднородных электрических полей и упругих деформаций под действием света.

Переключающий эффект – это эффект изменения показателя преломления под действием приложенного электрического поля. На этом эффекте построены электрооптические модуляторы и переключатели. В общем случае этот эффект является анизотропным и имеет как линейную (эффект Поккельса), так и нелинейную (эффект Керра) составляющие.

Электронно-оптический эффект – это явление изменения показателя преломления кристалла в электрическом поле (эффект Керра). (Электронно-оптический коэффициент имеет порядок r= 10-12 м/В).

Эффект Поккельса – уменьшение показателя преломления под действием электрического поля (E ~ 10 кВ/см).

Фотоиндуцированный эффект – это явление увеличения коэффициента поглощения под действием света.

Акустооптический эффект – это изменение показателя преломления, вызванное механическими напряжениями, наводимыми акустической волной. Акустооптический эффект используется для построения высокочастотных модуляторов.

Фоторефрактивный эффект – изменение показателя преломления под действием света. С помощью эффекта фоторефракции возможно проводить запись и хранение оптической информации в виде голограмм.

Фотогальванический эффект – это эффект появления токов по кристаллу при напряженностях Е ~ 10 кВ/см и более, приводящие к изменению амплитуды световых пучков, обращению волнового фронта.

30

Ток фотогальванического эффекта создается небольшой группой фотовозбужденных носителей.

Эффект пространственных солитонов – это эффект возникновения локальных областей неоднородности светового потока, вызванный прохождением лазерного излучения через вещество. Солитоны используются для переключения и обработки оптической информации.

Эффект двухпучкового взаимодействия – это эффект управления световым потоком малой интенсивности световым потоком опорной световой волны. Наиболее сильно эффект проявляется при падении на кристалл света с противоположных сторон (отражательная геометрия). В этом случае формируется интерференционная картина и соответствующая решетка показателя преломления. Такое двухпучковое взаимодействие перспективно для построения различных оптоэлектронных приборов (например световых усилителей, генераторов).

Эффект самофокусировки светового пучка – это эффект,

проявляющийся при вращении плоскости поляризации под действие электрического поля.

Различные эффекты способствуют возникновению сильной неоднородности света из-за взаимодействия световых волн. Это используется в устройствах динамической голографии. Для усиления эффектов световой поток направляют по оси Х вдоль кристаллографической оси вида (110), а внешнее электрическое поле прилагается перпендикулярно данному направлению. Вращением плоскости поляризации достигается изменение «подавление» оптической активности кристаллов.

Эффект самоискривления и изменения формы пучка – это эффект,

возникающий при изменении ориентации кристалла относительно компоненты поляризации света. Ориентацией кристаллографических осей можно управлять величиной самоискривления траектории и формы пучка.

Эффект Шубникова-де Газа – это эффект осцилляции коэффициентов отражения и пропускания зондирующего излучения в низкоразмерных структурах GaAs/AlGaAs, содержащих квантовые ямы.

Нелинейный оптический эффект – это серия эффектов, связанных с зависимостью показателя преломления от интенсивности света. К ним относятся: искривление траектории, эволюция поперечного распределения интенсивности, суперпозиция (сложение или вычитание интенсивностей), самофокусировка, десамофокусировка, самомодуляция. Характерным для таких эффектов является изменение пространственной и временной структуры светового пучка вследствие наведения в среде самим пучком оптических неоднородностей. По этой причине дифракция волн, испытывающих взаимодействие, протекает иначе, чем в линейной среде. Нелинейные эффекты начинают проявляться при больших интенсивностях оптического излучения (несколько микроватт на квадратный сантиметр). Это позволяет рассматривать фоторефрактивные кристаллы как