ДОЛИННЫЙ ТРАНЗИСТОР

Полезная модель относится к области радиотехники и быстродействующей электроники, в частности к оптически управляемым транзисторам и может быть использована для построения быстродействующих ключей для логических оптоэлектронных элементов.
Из уровня техники известен полевой транзистор на гетероструктуре [Патент РФ №2093924, МПК H01L 29/772, дата приоритета 10.03.1993, опубликовано 20.10.1997]. Данное устройство выполнено из полупроводниковых элементов, характеризующихся разной степенью легирования. Управляющим элементом транзистора является затвор, в котором режим пропускания сигнала через многослойный токопроводящий канал осуществляется посредством приложения к нему электрического поля. Недостатком устройства является низкая подвижность носителей заряда и наличие высоких омических потерь в материале канала, вызывающих ограниченное быстродействие и повышенные требования к отводу тепла от устройства.
Из уровня техники известно устройство полевого транзистора на инжекции спин-поляризованного тока [патент США US 5654566, МПК H01L 29/82, дата приоритета 21.04.1995, опубликовано 5.08.1997]. Данное устройство выполнено из токопроводящего канала на базе полупроводникового канала, двух электродов: стока и истока, выполненных из ферромагнитного материала, и предназначено в том числе для функционирования в ключевом режиме. Принцип работы данного устройства основывается на том, что спиновая поляризации тока инжектированного в исток, управляется с помощью приложенного магнитного поля. При определенных значениях поляризациях стока и истока достигается прохождение или отражение токового импульса, а значит пропускание или блокировка сигнала. Недостатком этого устройства является использование магнитных полей и ферромагнитных материалов.
Из уровня техники известно устройство спинового транзистора [Патент РФ №2387047, МПК H01L 29/82, дата приоритета 23.09.2008, опубликовано 20.04.2010]. В данном устройстве содержатся эмиттер (исток) спин поляризованных носителей, выполненный из ферромагнетика (EuO:Fe), база, выполненная из оксидного соединения, и детектор (сток), выполненный из широкозонного полупроводника (GaAs). Сила пропускаемого через базу туннельного спин-поляризованного тока зависит от величины приложенного внешнего магнитного поля, а использованные материалы допускают функционировании устройства при комнатной температуре. Недостатком этого устройства являются необходимость использования достаточно высоких магнитных полей для модификации транспортных свойств носителей заряда, приводящих к наличию у устройства двух характерных величин проводимости.
Наиболее близким аналогом долинного транзистора является известное устройство туннельного полевого транзистора на основе графена [Патент РФ №2554694, H01L 29/786, дата приоритета 05.02.2014, опубликовано 27.06.2015]. В этом устройстве содержатся расположенные на подложке электроды стока и истока, затвор, выполненный из проводящего материала (например золота), а также токопроводящий канал из многослойного графена, содержащий вакуумный барьер с кристаллографическим краем типа зигзаг. В данном устройстве управляющим воздействием является электрический потенциал, прикладываемый к затвору и регулирующий коэффициент прохождения туннельного тока через вакуумный барьер. Недостатками устройства аналога являются высокие предъявляемые требования к технологическому оборудованию при изготовлении вакуумного барьера для многослойного графена, а также невысокая производительность, ограниченная быстродействием управляющего воздействия.
Решается задача увеличения технологичности изготовления устройства и повышения быстродействия управляющего воздействия.
2
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом долинном транзисторе, содержащем расположенные на подложке исток, сток и токопроводящий канал, выполненный из графена, используется однородный монослой графена, а функцию затвора выполняет терагерцовый лазер, работающий на частоте 33 ТГц с плотностью мощности 300 Вт/см.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется рисунками, где
на фиг. 1 представлено схематическое изображение долинного транзистора.
на фиг. 2 представлена плотность носителей зарядов, протекающих через долинный транзистор, при нормальном режиме работы.
на фиг. 3 представлена плотность носителей зарядов, протекающих через долинный транзистор, при инверсном режиме работы.
Устройство выполнено в виде расположенной на подложке 1 многослойной гетероструктуры, состоящей из истока 2, стока 3, токопроводящего канала в виде монослоя графена 4, резонатора 5, экранирующего примерно 25% площади графена, а также затвора 6, выполненного в виде терагерцового лазера, который располагается над гетероструктурой.
2
Работа долинного транзистора осуществляется следующим образом. Долинный транзистор может работать в двух режима: прямом и инверсионном. При этом параметры функционированию меняются только за счет изменения эффективности переноса заряда от стока к истоку (или наоборот). В прямом режиме работы в исток 2 инжектируются электроны с заданным волновым вектором. Попадая в токопроводящий слой 4, находящийся между металлическими обкладками резонатора 5, электрон оказывается в невозмущенном электромагнитным полем лазера 6 графене, а значит приобретает дисперсионную зависимость с фиксированным значением ширины запрещенной зоны. В свою очередь, дисперсионная зависимость электронов вне резонатора 5 в зависимости от взаимных значений волнового вектора электрона и направления циркулярной поляризации электромагнитного поля лазера 6 приобретает дополнительное увеличение или уменьшение ширины запрещенной зоны. А именно, в случае наличия у электрона волнового вектора K, и при облучении устройства циркулярно поляризованным полем с плотностью мощности 300 Вт/см и частотой 33 ТГц, ширина запрещенной зоны вне резонатора 5 меньше, чем внутри. Это приводит к тому, что электрон покидает область инжекции и беспрепятственно достигает стока 3, создавая токовый сигнал. Если электрон имеет волновой вектор K', то ширина запрещенной зоны вне резонатора 5 больше, чем внутри. Поэтому заряд, инжектированный в исток 2, не выходит за пределы резонатора 5, что приводит к отсутствию токового сигнала. Обратная картина наблюдается при смене направления циркулярной поляризации электромагнитного поля. В этом случае электроны с волновым вектором K, будут локализоваться в области резонатора 5, а с волновым вектором K' беспрепятственно достигать стока 3.
При функционировании устройства в инверсном режиме электроны с заданным вектором K инжектируются в сток 3, после чего сразу попадают в токопроводящий канал 4, облучаемый электромагнитным полем лазера 6. При этом ширина запрещенной зоны в графене в области резонатора 5 для таких электронов оказывается больше, а значит, они не способны достичь области истока 2 и создать сигнал. Для электронов, обладающих волновым вектором K' область графена внутри резонатора 5 имеет меньшую ширину запрещенной зоны, а значит является для таких носителей ловушкой. Электроны, локализованные внутри резонатора 5, затем могут создать токовый сигнал, проникая в исток 2. Как и в случае прямого режима работы, инверсия направления циркулярной поляризации приводит к инверсии характеристик по отношению к состояниям K и K'.
Ниже приведен конкретный пример результатов апробации.
2
Для моделирования электронного транспорта во всех режимах работы долинного транзистора были использованы следующие параметры модели. Радиус верхней пластины резонатора, выполненной из золота равен 2 мкм. Толщина слоя, изолирующего монослой графена от обкладок микрорезонатора - 3 нм. Параметры управляющего электромагнитного поля: плотность мощности 300 Вт/см, частота - 33 ТГц. Расстояние между истоком, располагаемым в центре резонатора и стоком - 15 мкм.
Результат моделирования прямого режима работы долинного транзистора представлен на Фиг. 2. Плотность электронов, имеющих волновой вектор K и K', в момент инжекции одинакова и приведена на Фиг. 2 (а). Дальнейшая временная динамика электронов, имеющих волновой вектор (К), приведена на панелях (b)-(d), а К' на панелях (e)-(f). Видно, что в первом случае электронная плотность достигает стока за времена порядка 30 пикосекунд, тогда как во втором случае электронная плотность остается локализованной в пределах резонатора произвольное время.
Результат моделирования инверсного режима работы долинного транзистора представлен на Фиг. 3. В это случае электронная плотность инжектируется в сток на расстоянии 15 мкм от истока. Как и в случае прямого режима работы, начальная электронная плотность электронов имеющих волновые вектора K и K' одинакова и приведена на Фиг. 3 (а). Расчет эволюции электронной плотности показывает, что в случае инжекции в сток электронов с волновым вектором K, они не достигают истока, рассеиваясь о потенциальный барьер, находящийся у границ резонатора. В случае инжекции электронов с волновым вектором K' происходит их частичный сбор в области резонатора за время, меньше чем 70 пс, что приводит к появлению токового сигнала.
Как показывают результаты моделирования, долинный транзистор обеспечивает функционал полевого транзистора, работающего в ключевом режиме с логическими сигналами за счет наличия двух характерных величин проводимости канала, зависящих от управляющего воздействия. Как и классический транзистор, долинный транзистор способен работать в двух режимах: прямом и инверсном, причем переключение между режимами может осуществляться как за счет изменения параметров инжектируемых носителей, так и за счет смены направления поляризации управляющего сигнала. В качестве управляющего сигнала в долинном транзисторе предлагается использование циркулярно поляризованного электромагнитного поля.