QFET - QFET

A kvantummező-hatású tranzisztor ( QFET ) vagy a kvantumkút-térhatású tranzisztor ( QWFET ) egyfajta MOSFET (fém-oxid-félvezető mezőhatású tranzisztor ), amely kihasználja a kvantum-alagút előnyeit, hogy jelentősen megnövelje a tranzisztor működésének sebességét megszüntetésével a hagyományos tranzisztor területe elektron vezetési amelyek tipikusan okoz hordozók lassítani faktorral 3000. az eredmény növekedése logika sebességet 10-es faktorral egyidejű csökkenésével komponensben teljesítményigény és mérete is egy tényező 10. Ezeket a dolgokat a gyors termikus feldolgozás (RTP) néven ismert gyártási folyamat révén éri el , amely ultrafinom építőanyag rétegeket használ.

A "QFET" betűk jelenleg a Fairchild Semiconductor által gyártott (2015 novemberében összeállított) MOSFET- sorozat védjegyzett neveként is léteznek, amelyek szabadalmaztatott kettős diffúziós fém-oxid-félvezető (DMOS) technológiát tartalmaznak, de amelyek valójában nem , kvantumalapú (a Q ebben az esetben a "minőség" kifejezés).

Szerkezet és a készülék működése

A kvantummező-hatású tranzisztorok modern példái integrálják a hagyományos MOSFET-ek hagyományos struktúráit, és ugyanazokat az anyagokat használják fel. A MOSFET tranzisztorok dielektromos anyagokból, például SiO ₂ -ból és fémkapukból állnak . A fémkapu szigetelt a kapu dielektromos rétegétől, ami nagyon magas bemeneti ellenállást eredményez. A három terminálból, a forrásból (vagy bemenetből), a lefolyóból (vagy kimenetből) és a kapuból álló MOSFET -ek vezérlik az áramlást a feszültség (vagy annak hiánya) révén a kapu termináljához, ami megváltoztatja a rétegek közötti potenciális akadályt és lehetővé teszi (vagy letiltja) a töltés áramlását.

A forrás- és leeresztőkapcsok a MOSFET adalékolt régióihoz vannak csatlakoztatva, amelyeket a testrégió szigetel. Ezek p vagy n típusú régiók, mindkét terminál azonos típusú és ellentétes a karosszéria típusával. Ha a MOSFET egy n-csatornás MOSFET, mind a forrás, mind a leeresztési terület n +, a törzs pedig egy p régió. Ha a MOSFET egy p-csatornás MOSFET, mind a forrás, mind a leeresztési terület p +, a test pedig n régió. Egy n-csatornás MOSFET elektronok hordozzák a töltést a forrásvidéken, a lyukak pedig a p-csatornás MOSFET forrás töltéseit.

A FET szerkezeteket jellemzően fokozatosan, rétegenként, különböző technikák, például molekuláris sugárzású epitaxia, folyadékfázisú epitaxia és gőzfázisú epitaxia alkalmazásával építik fel, például a kémiai gőzlerakódás . A tipikus MOSFET -ek mikron skálán készülnek. A nedves kémiai maratással 3 μm vagy annál nagyobb vastagságú rétegek hozhatók létre, míg a száraz maratási technikákkal a nanoméretű rétegek érhetők el. Amikor a rétegvastagság megközelíti az 50 nanométert vagy annál kevesebbet, a réteg de Broglie hullámhossza megközelíti a termizált elektron hullámhosszát , és a hagyományos energia-impulzus kapcsolatok a tömeges félvezetők esetében már nem működnek.

Ultravékony félvezető rétegeket használnak a QFET -ek előállításához, amelyek sávszélessége kisebb, mint a környező anyagoké. Egydimenziós kvantumkút QFET esetében nanoméretű félvezető réteget növesztünk két szigetelő réteg közé. A félvezető réteg vastagsága d , és az elektron töltéshordozók egy potenciálkútba vannak befogva. Ezek az elektronok és a hozzájuk tartozó lyukak diszkrét energiaszinttel rendelkeznek, amelyet az időfüggetlen Schrödinger-egyenlet megoldásával találunk, amint az látható:

${\ displaystyle E_ {q} = {\ hbar ^{2} (q \ pi /d) ^{2} \ over 2m}, q = 1,2,3, ...}$

A töltéshordozók aktiválhatók (vagy deaktiválhatók), ha a kapu termináljára egy potenciált alkalmaznak, amely megfelel a megfelelő energiaszintnek. Ezek az energiaszintek a félvezető réteg vastagságától és az anyag tulajdonságaitól függenek. A QFET megvalósítására ígéretes félvezető jelölt, az InGaAs de Broglie hullámhossza körülbelül 50 nanométer. Az energiaszintek közötti nagyobb réseket a réteg d vastagságának csökkentésével lehet elérni . Az InGaA -k esetében körülbelül 20 nanométeres réteghosszúságot értek el. A gyakorlatban, a háromdimenziós kvantum mérőhelyeket elő, azzal a méretei a réteg síkjából, d ₂ és d ₃ , hogy sokkal nagyobb a relatív mérete. A megfelelő elektron-energia-lendület összefüggést a

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

Ebben a relációban a k értékek megfelelnek és , amelyek az egyes dimenziók hullámvektorának nagysága . ${\ displaystyle {q_ {1} \ pi \ over d_ {1}}, {q_ {2} \ pi \ over d_ {2}},}$${\ displaystyle {q_ {3} \ pi \ over d_ {3}}}$

A kvantumhuzalokkal összehangolt QFET -ek hasonlóképpen korlátozzák az elektron töltéshordozókat egy potenciális kútban, de keskeny geometriai alakjuk jellege lehetővé teszi a gyártó számára, hogy két dimenzióban csapdába ejtse az elektronokat. A kvantumhuzalok lényegében egy 1D -s rendszer csatornái, amelyek szorosabb hordozóelzárást és kiszámítható áramáramot biztosítanak.

A hagyományos MOSFET -ek, amelyek szilícium -dioxid -réteggel vannak felépítve egy szilícium -hordozóra, előfeszített pn -csomópont létrehozásával működnek , amely pozitív vagy negatív feszültség jelenlétében előre vagy hátra is előfeszített lehet. Valójában a feszültség alkalmazása csökkenti a potenciális gát magasságát a p és n tartomány között, és lehetővé teszi a töltés pozitív töltésű "lyukak" és negatív töltésű elektronok formájában történő áramlását.

Az egycsatlakozós QFET-ek kvantum-alagutat használnak a sebesség növelésére az elektronikus vezetési terület kiküszöbölésével, ami akár 3000-szer lassítja a hordozókat.

Elmélet és alkalmazás optikai műszerekre

A QFET -ek építőkövei viselkedését a kvantummechanika törvényei írhatják le . A kvantum-zárt félvezető szerkezetekben a töltéshordozók (lyukak és elektronok) jelenlétét az állapotok sűrűsége határozza meg . A háromdimenziós kvantumkút esetében, amelyet gyakran 2 nm és 20 nm közötti vastagságú síkrétegként építenek fel, az állapotok sűrűségét egy kétdimenziós vektorból határozzák meg , amely megfelel a réteg síkjában lévő területnek. . A kapcsolatból, ${\ displaystyle \ rho _ {c} (E)}$${\ displaystyle (k_ {2} = {q_ {2} \ pi \ over d_ {2}}, k_ {3} = {q_ {3} \ pi \ over d_ {3}})}$${\ displaystyle Ek}$

${\ displaystyle E = E_ {c}+{\ hbar ^{2} k_ {1} ^{2} \ over 2m_ {c}}+{\ hbar ^{2} k_ {2} ^{2} \ over 2m_ {c}}+{\ hbar ^{2} k_ {3} ^{2} \ több mint 2 m_ {c}}}$, ezt meg lehet mutatni , és így ${\ displaystyle {dE \ over dk} = \ hbar ^{2} k/m_ {c}}$

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

Hasonlóképpen, az egydimenziós nanohuzalok energiáját hullámvektorok írják le, azonban geometriájuk miatt csak egy k vektorra van szükség a szabad mozgás mozgási energiájának modellezéséhez a huzal tengelye mentén: ${\ displaystyle k_ {z}}$

${\ displaystyle E (k_ {z}) = {\ hbar ^{2} k_ {z} ^{2} \ 2m_ felett {c}}}$

Pontosabb energiamodell használható a két dimenzióban levő elektronok energiájának számszerűsítésére. Feltételezhetjük, hogy a huzal téglalap alakú keresztmetszete d ₁ d ₂ , ami új energia-lendület összefüggéshez vezet:

${\ displaystyle E = E_ {c}+{\ hbar ^{2} (q_ {1} \ pi /d_ {1}) ^{2} \ over 2m_ {c}}+{\ hbar ^{2} ( q_ {2} \ pi /d_ {2})^{2} \ több mint 2 m_ {c}}+{\ hbar^{2} k^{2} \ több mint 2 m_ {c}}}$, ahol k a vezeték komponense a huzal tengelye mentén.

A kétdimenziós kvantumhuzalok hengeres alakúak is lehetnek, közös átmérőjük 20 nm körüli.

Az egyetlen dimenzióra korlátozott kvantumpontok esetében az energia még tovább kvantálódik:

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

A kvantumpontok geometriai tulajdonságai eltérőek, de a tipikus kvantumpont részecskék mérete 1 és 50 nm között van. Mivel az elektronmozgás minden egyes dimenziós kvantálással tovább korlátozódik, a vezetési és vegyértéksávok alsávjai szűkülnek.

III-V háromkapu kvantumkút MOSFET (Datta, K. & Khosru, Q.)

Minden félvezető egyedi vezetési és vegyértéksáv -struktúrával rendelkezik. A közvetlen sávközű félvezetőkben a vezetési sáv minimális és a vegyértéksáv maximális energiái ugyanazon k hullámszámnál jelentkeznek, ugyanazon lendületnek megfelelően. QFETs Quantum lyukú struktúrák vezetési sávok, hogy vannak osztva számos részsávok, amelyek megfelelnek a megfelelő kvantumszámok q = 1, 2, 3, ... , és ajánlott magasabb állapotsűrűség a legalacsonyabb engedélyezett vezetési-sáv és a legmagasabb megengedett vegyértéksávú energiaszinteket, mint a MOSFET-ek, ami érdekes tulajdonságokhoz vezet, különösen optikai jellemzőik és alkalmazásuk tekintetében. A lézerdiódákban használt kvantumkút-eszközök esetében a fotonok kölcsönhatásba lépnek az elektronokkal és a lyukakkal a vegyérték- és vezetési sávok közötti átmeneteken keresztül. A kvantum-mélyedésű félvezetőkben a foton kölcsönhatásokból való átmeneteket a részsávok közötti energiarések szabályozzák, szemben a klasszikus félvezetők általános energiarésével.

Motiváció

A Field Effect Transistor (FET) elvi tervét először 1930 -ban fogalmazta meg JE Lilienfeld. Az első szilícium FET 30 évvel későbbi megjelenése óta az elektronikai ipar gyors és előre látható exponenciális növekedést mutatott mind a tranzisztor sűrűségében, mind az információfeldolgozási képességben. Ez a Moore -törvény néven ismert jelenség arra a megfigyelésre utal, hogy az integrált áramkörbe helyezhető tranzisztorok száma körülbelül kétévente megduplázódik.

A nagysebességű kvantum FET -eket úgy tervezték, hogy leküzdjék a 0,2 μm -es technológiát, amelyet a hagyományos félvezető technológia gyakorlati határaként tartanak számon. A QFET -ek így tízszeresére növelik a logikai sebességet, és ugyanezzel a tényezővel csökkentik a tranzisztor teljesítményigényét és méretét. Ezek a növekedések kölcsönzik a QFET-eszközöket olyan tervezési-automatizálási eszközök kifejlesztéséhez, amelyek előnyei az alacsony teljesítmény, a kis méret és a nagy sebesség.

Lásd még

• A MOSFET alkalmazások listája
• Kvantumszámítástechnika
• Kvantum jól

Hivatkozások