ОСТАНОВЛЕНО

Fairchild FQD19N10 - N-Channel QFET MOSFET 100 V, 15.6 A, 100 mΩ

Квантовый полевой транзистор ( QFET ) или полевой транзистор с квантовой ямой ( QWFET ) представляет собой тип MOSFET (металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор ) который использует преимущества квантового туннелирования для значительного увеличения скорости работы транзистора за счет устранения традиционной области электронной проводимости транзистора, которая обычно приводит к замедлению носителей в 3000 раз. Результатом является увеличение скорости логики в 10 раз с одновременное уменьшение потребляемой мощности и размера компонентов также в 10 раз. Это достигается за счет производственного процесса, известного как быстрая термическая обработка (RTP), в котором используются сверхтонкие слои конструкционных материалов.

Буквы «QFET» в настоящее время также существуют как торговая марка серии МОП-транзисторов производства Fairchild Semiconductor (составлено в ноябре 2015 г.), которые содержат запатентованную технологию двойной диффузии металл-оксид-полупроводник (DMOS), но которые на самом деле не являются таковыми. квантовый (Q в данном случае означает «качество»).

Устройство и работа устройства

Современные образцы квантовых полевых транзисторов объединяют структуры, традиционные для обычных МОП-транзисторов, и используют многие из тех же материалов. Транзисторы MOSFET состоят из диэлектрических материалов, таких как SiO ₂ , и металлических затворов. Металлические затворы изолированы от диэлектрического слоя затвора, что приводит к очень высокому входному сопротивлению. Состоящие из трех выводов: истока (или входа), стока (или выхода) и затвора, МОП-транзисторы могут управлять потоком тока посредством приложенного напряжения (или его отсутствия) к выводу затвора, что изменяет потенциальный барьер между слоями и позволяет (или отключает) поток заряда.

Выводы истока и стока подключены к легированным областям МОП-транзистора, изолированным корпусом. Это области либо p-, либо n-типа, причем оба терминала относятся к одному и тому же типу и противоположны типу тела. Если МОП-транзистор является n-канальным МОП-транзистором, то области истока и стока имеют размер n +, а тело является областью p . Если МОП-транзистор является p-канальным МОП-транзистором, то области истока и стока имеют тип p +, а тело является областью n . В n-канальном МОП-транзисторе электроны переносят заряд через область источника, а дырки переносят заряды в p-канальном источнике МОП-транзистора.

Структуры полевых транзисторов обычно создаются постепенно, слой за слоем, с использованием различных методов, таких как молекулярно-лучевая эпитаксия, жидкофазная эпитаксия и парофазная эпитаксия, примером может служить химическое осаждение из паровой фазы . Типичные МОП-транзисторы изготавливаются в микронном масштабе. Влажное химическое травление можно использовать для создания слоев толщиной 3 мкм или более, а методы сухого травления можно использовать для получения слоев нанометрового масштаба. Когда толщина слоя приближается к 50 нанометрам или меньше, длина волны де Бройля слоя приближается к длине волны термализованного электрона, и традиционные соотношения энергия-импульс для объемных полупроводников больше не работают.

При производстве QFET используются сверхтонкие полупроводниковые слои, ширина запрещенной зоны которых меньше, чем у окружающих материалов. В случае одномерного QFET с квантовой ямой наноразмерный полупроводниковый слой выращивается между двумя изолирующими слоями. Полупроводниковый слой имеет толщину d , а электронные носители заряда заперты в потенциальной яме. Эти электроны и соответствующие им дырки имеют дискретные уровни энергии, которые находятся путем решения независимого от времени уравнения Шредингера, как показано:

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

Носители заряда можно активировать (или деактивировать), прикладывая к терминалу затвора потенциал, соответствующий соответствующему уровню энергии. Эти уровни энергии зависят от толщины полупроводникового слоя и свойств материала. Многообещающий полупроводниковый кандидат для реализации QFET, InGaAs , имеет длину волны де Бройля около 50 нанометров. Больших зазоров между энергетическими уровнями можно добиться за счет уменьшения толщины d слоя. В случае InGaAs была достигнута длина слоя около 20 нанометров. На практике создаются трехмерные квантовые ямы, размеры плоскости слоя d ₂ и d ₃ которых значительно больше относительного размера. Соответствующее соотношение энергии-импульса электрона описывается выражением

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

Значения k в этом отношении соответствуют ${q_{1}\pi \over d_{1}},{q_{2}\pi \over d_{2}},$ и ${q_{3}\pi \over d_{3}}$, которые являются величинами волновых векторов в каждом измерении.

QFET, оснащенные квантовыми проводами, аналогичным образом удерживают электронные носители заряда в потенциальной яме, однако природа их узкой геометрической формы позволяет производителю захватывать электроны в двух измерениях. Квантовые провода, по сути, представляют собой каналы в одномерной системе, обеспечивающие более жесткое ограничение носителей и предсказуемый ток.

Традиционные МОП-транзисторы, состоящие из слоя диоксида кремния поверх кремниевой подложки, работают путем создания смещенного pn-перехода , который может быть смещен в прямом или обратном направлении при наличии положительного или отрицательного приложенного напряжения соответственно. Фактически, приложение напряжения уменьшает высоту потенциального барьера между областями p и n и позволяет заряду течь в виде положительно заряженных «дырок» и отрицательно заряженных электронов.

Однопереходные QFET используют квантовое туннелирование для увеличения скорости за счет устранения области электронной проводимости, которая замедляет носители заряда до 3000 раз.

Теория и применение к оптическим приборам

Поведение строительных блоков QFET можно описать законами квантовой механики . В полупроводниковых структурах с квантовыми ограничениями наличие носителей заряда (дырок и электронов) количественно определяется плотностью состояний . Для случая трехмерной квантовой ямы, часто конструируемой в виде плоского слоя толщиной от 2 до 20 нм, плотность состояний $\rho _{c}(E)$ получается из двумерного вектора $(k_{2}={q_{2}\pi \over d_{2}},k_{3}={q_{3}\pi \over d_{3}})$, что соответствует площади в плоскости слоя. Из $E-k$ связь,

$E=E_{c}+{\hbar ^{2}k_{1}^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{2}^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{3}^{2} \over 2m_{c}}$, можно показать, что ${dE \over dk}=\hbar ^{2}k/m_{c}$, и таким образом

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

Аналогично энергия одномерных нанопроволок описывается волновыми векторами, однако из-за их геометрии только один k- вектор, $k_{z}$, необходима для моделирования кинетической энергии свободного движения вдоль оси проволоки:

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

Более точная энергетическая модель может быть использована для количественной оценки энергии электронов, удерживаемых в двух измерениях. Можно предположить, что проволока имеет прямоугольное сечение d ₁ d ₂ , что приводит к новому соотношению энергии-импульса:

$E=E_{c}+{\hbar ^{2}(q_{1}\pi /d_{1})^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}(q_{2}\pi /d_{2})^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k^{2} \over 2m_{c}}$, где k — компонента вектора вдоль оси проволоки.

Двумерные квантовые проволоки также могут иметь цилиндрическую форму, общий диаметр которых составляет около 20 нм.

В случае квантовых точек, которые ограничены одним измерением, энергия квантовается еще сильнее:

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

Геометрические свойства квантовых точек различаются, однако типичные частицы квантовых точек имеют размеры от 1 до 50 нм. Поскольку движение электронов дополнительно ограничивается с каждым последующим размерным квантованием, подзоны зоны проводимости и валентной зоны становятся уже.

МОП-транзистор с трехзатворной квантовой ямой III-V (Датта, К. и Хосру, К.)

Все полупроводники имеют уникальную структуру проводимости и валентной зоны . В полупроводниках с прямой запрещенной зоной минимум энергии зоны проводимости и максимум валентной зоны происходят при одном и том же волновом числе k , что соответствует одному и тому же импульсу. QFET со структурами с квантовыми ямами имеют зоны проводимости, которые разделены на множество подзон, которые соответствуют соответствующим квантовым числам q = 1, 2, 3,... и обеспечивают более высокую плотность состояний в самой нижней разрешенной зоне проводимости и самой высокой. разрешенные уровни энергии валентной зоны, чем МОП-транзисторы, что приводит к интересным свойствам, особенно в их оптических характеристиках и приложениях. В устройствах с квантовыми ямами, используемых в лазерных диодах , фотоны взаимодействуют с электронами и дырками посредством переходов между валентной зоной и зоной проводимости. Переходы от фотонных взаимодействий в полупроводниках с квантовыми ямами определяются энергетическими щелями между подзонами, в отличие от общей энергетической щели классических полупроводников.

Мотивация

Концептуальный проект полевого транзистора (FET) был впервые сформулирован в 1930 году Дж. Э. Лилиенфельдом. С момента появления первого кремниевого полевого транзистора 30 лет спустя в электронной промышленности наблюдается быстрый и предсказуемый экспоненциальный рост как плотности транзисторов, так и возможностей обработки информации. Это явление, известное как закон Мура , связано с наблюдением, что количество транзисторов, которые можно поместить в интегральную схему, удваивается примерно каждые два года.

Высокоскоростные квантовые полевые транзисторы были разработаны для преодоления технологии 0,2 мкм, которая считается практическим пределом для традиционной полупроводниковой технологии. Таким образом, QFET увеличивают логическую скорость в десять раз и во столько же раз уменьшают требования к мощности и размер транзистора. Эти увеличения позволяют использовать устройства QFET при разработке инструментов автоматизации проектирования, которые выигрывают от низкого энергопотребления, небольшого размера и высокой скорости. Недавно топологический квантовый полевой транзистор (TQFET) открыл новую парадигму переключения с низким энергопотреблением благодаря внутренним квантовым явлениям. TQFET способен преодолеть тиранию Больцмана благодаря эффекту Расбы. и эффект отрицательной емкости а также обещают миниатюризацию за счет эффектов квантового ограничения.

См. также

• Список приложений MOSFET
• Квантовые вычисления
• Квантовая яма