7. Наноэлектронные транзисторы

7.1. Введение

Хорошо освоенная кремниевая технология позволяет создавать полупроводниковые приборы, как внутри объема (полупроводниковая технология), так и на поверхности изолятора (технология кремний на изоляторе). Область применения пластин, используемых в технологии кремний на изоляторе (КНИ) иллюстрирует рисунок 7.1. [3]

Рис. 7.1. Области применения кремниевых пластин

Непрерывное совершенствование технологии направлено на создание приборов с лучшими технико-экономическими показателями: по потребляемой и отдаваемой мощности, полосе рабочих частот и быстродействию, массе и габаритам. При этом исследуются и внедряются в производство новые типы полупроводниковых материалов, что иллюстрирует рисунок 7.2.

Достижению рекордных технико-экономических показателей способствует использование оригинальных конструкций, новых материалов (в частности, углеродных нанотрубок) и физических явлений, не использовавшихся в приборах классической электроники (явления в напряженном кремнии, гетеропереходах, «горячих электронах» и др.).

Наблюдается переход от кремниевой технологии к нанотехнологиям, а также зарождение молекулярной электроники.

Рис. 7.2. Зависимость максимальной мощности от частоты для приборов на основе различных материалов

В последнее время появилось много типов наноэлектронных транзисторов. Некоторые из них перечислены ниже:

- транзисторы с повышенной подвижностью носителей HEMT (High Electron Mobility Transistor);

- транзисторы на «горячих электронах» с отрицательным сопротивлением ПТОС (Negative Resistance Field-Effect Transistor);

- одноэлектронные транзисторы с туннельно-прозрачными барьерами MTF (Multi-Tunnel Functions);

- транзисторы, выполненные по технологии кремний на изоляторе, в частности, на сапфире (КНИ, КНС), (Ultrathin Body-UTB);

- транзисторы с затвором в виде рыбьих плавников FinFET;

- терагерцовые транзисторы (Tera-Hertz);

- транзисторы с тройным затвором (Tri-Gate Transistor);

- гетеротранзитсторы (на основе полупроводников с различной шириной запрещенных зон) MOD FET;

- транзисторы с затвором Шоттки (MES FET);

- одноэлектронные транзисторы (Single-Electron Transistor - SET).

Современные типы наноэлектронных приборов рассматриваются в работах [1, 2, 5, 6]. Материалы этих работ использовались при подготовке к изданию данного пособия.

Рассмотрение наноэлектронных систем позволяет выявить очевидный факт: их базовыми элементами являются полевые транзисторы и другие структуры, использующие полевой эффект. Полевые транзисторы (Field-Effect Transistor) или FET-транзисторы ха­рактеризуются, во-первых, макси­мальной удельной крутизной ВАХ:

,

а, во-вторых, предельной частотой:

,

где I_C – ток стока; U₃ – напряжение на затворе; С_ЗИ и С_СЗ соответственно емкости затвор-исток и сток-затвор.

При уменьшении длины канала и снижении сопро­тивлений пассивных областей стока r_С и истока r_И, эти параметры улучшаются. Предельные значения S_MAX и f_T пропорциональны предельной дрейфовой ско­рости V_ДР и подвижности носителей в канале . Под­вижность электронов в гетероструктурах достигает 3500 см²/В∙с, что в несколько раз выше, чем у кремния. Поэтому полупроводниковые соединения А³В⁵ и гетероструктуры на их основе предпочтительней кремниевых транзисторов. На рисунке 7.3. приведена эквивалентная схема наноэлектронного МОП-транзистора.

Рис. 7.3. Эквивалентная электрическая схема наноэлектронного

МОП-транзистора

Перед разработчиками стоит задача минимизации индуктивностей выводов L_З, L_C, L_И; влияния подложки (элементов С_ЗП, r_ЗП, С_ИП, r_ИП, С_СП, r_CП), междуэлектродных емкостей C_ЗС, С_СИ, С_ЗИ, а также немодулированных сопротивлений каналов r_И, r_С, а также сопротивления в цепи затвора r_З. С целью улучшения усилительных и ключевых свойств ведутся разработки по максимализации параметра Y₂₁ – крутизны S полевых транзисторов.