Геометрический диод

Геометрические диоды , также известные как морфологические диоды, используют форму своей структуры и баллистический / квазибаллистический транспорт электронов для создания поведения диода. Геометрические диоды отличаются от всех других форм диодов, поскольку они не полагаются на область обеднения или потенциальный барьер для создания своего поведения диода. Вместо потенциального барьера асимметрия в геометрии материала (то есть порядка средней длины свободного пробега носителя заряда) создает асимметрию прямого и обратного тока смещения (так называемого диода).

Создание геометрического диода

Геометрические диоды формируются из одного сплошного материала (за исключением двумерных электронных газов , которые представляют собой слоистые системы), который имеет асимметрию в структуре порядка размера длины свободного пробега носителей заряда (MFP). Типичные МФУ при комнатной температуре варьируются от однозначных нанометров для металлов. ^{[ 1 ]} до десятков или сотен нм для полупроводников, ^{[ 2 ]} и даже >1 микрометра в некоторых системах. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} Это означает, что для создания геометрического диода необходимо либо использовать материал с высоким содержанием MFP, либо иметь производственный процесс с нанометровой точностью, чтобы создать соответствующую геометрию.

Геометрические диоды представляют собой устройства с основной несущей , которым не нужен потенциальный барьер. Поведение диода обусловлено асимметрией формы структуры (как показано на рисунке). Проще говоря, геометрические диоды можно рассматривать как воронки или ловушки для зарядов; В одном направлении зарядам течь сравнительно легко, а в обратном – труднее.

Кроме того, идеально иметь зеркальное отражение носителей заряда на поверхности конструкции; однако это не так важно, как достаточно малый размер для работы в баллистическом режиме.

Преимущества и недостатки геометрических диодов

Преимущества

Поскольку все остальные диоды создают асимметрию тока через тот или иной потенциальный барьер, они обязательно имеют некоторую степень напряжения включения . Геометрические диоды теоретически могут обеспечить напряжение включения с нулевым смещением из-за отсутствия потенциального барьера. При напряжении включения с нулевым смещением на устройство не должно подаваться постоянное смещение; поэтому геометрические диоды могут значительно снизить мощность, необходимую для работы устройства. Это также может быть полезно, поскольку диоды будут более чувствительны к слабым сигналам. Это, конечно, теоретически, и экспериментальная реализация диодов с действительно нулевым смещением может быть ограничена.

Второе важное преимущество также связано с отсутствием у них потенциальных барьеров и меньшинств. Потенциальный барьер — это большой источник емкости в диоде. диодов Емкость служит для уменьшения частотной характеристики их за счет увеличения времени RC . Отсутствие потенциального барьера у геометрических диодов означает, что они могут иметь сверхнизкую емкость вплоть до аттофарад . ^{[ 5 ]} Частотная характеристика геометрического диода ограничена не временем RC или подвижностью неосновных носителей, а временем пролета носителей заряда из-за структурной асимметрии. ^{[ 6 ]} Следовательно, геометрические диоды могут достигать частотной характеристики в ТГц. ^{[ 5 ]}

Возможность настройки электронных свойств геометрического диода с учетом геометрии структуры, поверхностного покрытия структуры и свойств используемого материала обеспечивает настройку уровня, нереализуемую ни в одной другой диодной системе.

Принципы, извлеченные из геометрических диодов и баллистических систем, будут использоваться для понимания технологии, поскольку устройства становятся все более маленькими и существуют на уровне или ниже MFP носителей заряда.

Недостатки

Те же преимущества, которые дает отсутствие потенциальных барьеров, имеют и свои недостатки. Основной из них заключается в том, что обратный ток смещения геометрического диода может быть довольно высоким (от трех до менее чем одного порядка меньше, чем ток прямого смещения). Однако в зависимости от применения можно допустить высокое обратное смещение.

Обычно геометрические диоды имеют наноразмер, а это обязательно означает, что они имеют высокое сопротивление. Однако, в зависимости от производственного процесса, это можно смягчить, подключив множество диодов параллельно.

Возможно, самым большим препятствием для преодоления геометрических диодов является надежность их изготовления и возможность масштабирования. Геометрические диоды обычно изготавливаются с использованием методов нанопроизводства , которые плохо масштабируются, но с увеличением разрешения фотолитографии это может не стать проблемой в течение длительного времени.

Экспериментальные примеры

Геометрические диоды связаны с явлением электронных храповиков , и их истории переплетены. ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}

2 градуса

В ранних работах над геометрическими диодами использовались двумерные электронные газы (2DEG) при криогенных температурах, поскольку эти материальные системы имеют очень длинный MFP-носитель заряда. ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} Одной из наиболее изученных структур является четырехполюсная геометрия, которая имела либо одну антиточку в центре, либо массив антиточек, который заставляет заряды опускаться, а не подниматься, когда ток подается слева или справа. ^{[ 11 ]} Первоначально эта система была продемонстрирована при криогенных температурах. ^{[ 9 ]}^{[ 12 ]}^{[ 13 ]} но затем смог работать при комнатной температуре ^{[ 14 ]} и выпрямлять сигналы 50 ГГц. ^{[ 14 ]}

Графен

Четырехконцевая геометрия также была создана в графене и функционирует при комнатной температуре. ^{[ 15 ]}^{[ 16 ]} Кроме того, в 2013 году была продемонстрирована другая двухполюсная геометрия, напоминающая простую геометрическую схему диода. ^{[ 5 ]} Оптимальная конструкция баллистического диода на основе графеновых полевых транзисторов 2021 года, автор Ван Хай Нгуен . ^{[ 17 ]} Эта работа показала скорость выпрямления на ТГц частотах.

Нанопровода

В апреле 2020 года было показано , что геометрические диоды, сформированные из травленых кремниевых нанопроволок, работают при комнатной температуре. ^{[ 6 ]} Эта работа подчеркивает возможность настройки геометрических диодов путем тщательного изучения влияния геометрии на электронные свойства диода. В работе также было продемонстрировано выпрямление до частоты 40 ГГц, ограниченной прибором.

См. также

Ссылки

^ Галл, Дэниел (23 февраля 2016 г.). «Средний свободный пробег электрона в элементарных металлах». Журнал прикладной физики . 119 (8): 085101. Бибкод : 2016JAP...119h5101G . дои : 10.1063/1.4942216 . ISSN 0021-8979 .
^ Сзе, С.М.; Нг, Квок К. (10 апреля 2006 г.). Физика полупроводниковых приборов . дои : 10.1002/0470068329 . ISBN 9780470068328 .
^ Болотин, К.И.; Сайкс, К.Дж.; Цзян, З.; Клима, М.; Фуденберг, Г.; Хон, Дж.; Ким, П.; Стормер, Х.Л. (1 июня 2008 г.). «Сверхвысокая подвижность электронов во взвешенном графене» . Твердотельные коммуникации . 146 (9): 351–355. arXiv : 0802.2389 . Бибкод : 2008SSCom.146..351B . дои : 10.1016/j.ssc.2008.02.024 . ISSN 0038-1098 . S2CID 118392999 .
^ Уманский, В.; Хейблум, М.; Левинсон, Ю.; Смет, Дж.; Нюблер, Дж.; Долев, М. (15 марта 2009 г.). «Рост МЛЭ 2ДЭГ со сверхнизким беспорядком и подвижностью, превышающей 35×106 см2/Вс» . Журнал роста кристаллов . Международная конференция по молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE-XV). 311 (7): 1658–1661. Бибкод : 2009JCrGr.311.1658U . дои : 10.1016/j.jcrysgro.2008.09.151 . ISSN 0022-0248 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Чжу, Цзысюй; Джоши, Сэмюэл; Гровер, Сачит; Модель Гаррет (15 апреля 2013 г.). «Графеновые геометрические диоды для терагерцовых ректенн». Журнал физики D: Прикладная физика . 46 (18): 185101. Бибкод : 2013JPhD ...46r5101Z . дои : 10.1088/0022-3727/46/18/185101 . ISSN 0022-3727 . S2CID 9573157 .
^ Jump up to: ^а ^б Кастер, Джеймс П.; Лоу, Джереми Д.; Хилл, Дэвид Дж.; Тейсворт, Тейлор С.; Кристесен, Джозеф Д.; МакКинни, Коллин Дж.; Макбрайд, Джеймс Р.; Брук, Мартин А.; Уоррен, Скотт С.; Кахун, Джеймс Ф. (10 апреля 2020 г.). «Храповое движение квазибаллистических электронов в кремниевых геометрических диодах при комнатной температуре» . Наука . 368 (6487): 177–180. Бибкод : 2020Sci...368..177C . дои : 10.1126/science.aay8663 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 32273466 . S2CID 215550903 .
^ Лау, Брайан; Кедем, Офер; Швабахер, Джеймс; Кваснийский, Даниэль; Вайс, Эмили А. (9 мая 2017 г.). «Введение в трещотки в химии и биологии» . Горизонты материалов . 4 (3): 310–318. дои : 10.1039/C7MH00062F . ISSN 2051-6355 .
^ Лау, Брайан; Кедем, Офер (22 мая 2020 г.). «Электронные храповики: состояние поля и будущие вызовы» . Журнал химической физики . 152 (20): 200901. Бибкод : 2020JChPh.152t0901L . дои : 10.1063/5.0009561 . ISSN 0021-9606 . ПМИД 32486653 .
^ Jump up to: ^а ^б Песня, AM; Лорке, А.; Криле, А.; Коттхаус, JP; Вегшайдер, В.; Бихлер, М. (27 апреля 1998 г.). «Нелинейный транспорт электронов в асимметричном микропереходе: баллистический выпрямитель». Письма о физических отзывах . 80 (17): 3831–3834. Бибкод : 1998PhRvL..80.3831S . дои : 10.1103/physrevlett.80.3831 . ISSN 0031-9007 .
^ Линке, Х; Шэн, В; Лёфгрен, А; Сюй, Хунци; Омлинг, П; Линделоф, П. Э. (1 ноября 1998 г.). «Храповик квантовых точек: эксперимент и теория» . Письма по еврофизике (EPL) . 44 (3): 341–347. Бибкод : 1998EL.....44..341L . дои : 10.1209/epl/i1998-00562-1 . ISSN 0295-5075 . S2CID 250894889 .
^ Сонг, AM (1 августа 2002 г.). «Эффект храповика электронов в полупроводниковых приборах и искусственных материалах с нарушенной центросимметрией». Прикладная физика А. 75 (2): 229–235. Бибкод : 2002ApPhA..75..229S . дои : 10.1007/s003390201334 . ISSN 1432-0630 . S2CID 94413242 .
^ Лорке, А; Виммер, С; Ягер, Б; Коттхаус, JP; Вегшайдер, В; Бихлер, М. (17 июня 1998 г.). «Дальний инфракрасный диапазон и транспортные свойства массивов антиточек с нарушенной симметрией» . Физика Б: Конденсированное вещество . 249–251 (1–4): 312–316. Бибкод : 1998PhyB..249..312L . дои : 10.1016/S0921-4526(98)00121-5 . ISSN 0921-4526 .
^ Песня, AM; Манус, С.; Штрайбль, М.; Лорке, А.; Коттхаус, JP; Вегшайдер, В.; Бихлер, М. (1 января 1999 г.). «Нелинейное транспортное устройство без внутреннего порога» . Сверхрешетки и микроструктуры . 25 (1): 269–272. Бибкод : 1999SuMi...25..269S . дои : 10.1006/spmi.1998.0646 . ISSN 0749-6036 .
^ Jump up to: ^а ^б Песня, AM; Омлинг, П.; Самуэльсон, Л.; Зейферт, В.; Шорубалко И.; Зират, Х. (22 августа 2001 г.). «Работа функционального наноматериала при комнатной температуре и частоте 50 ГГц». Письма по прикладной физике . 79 (9): 1357–1359. Бибкод : 2001ApPhL..79.1357S . дои : 10.1063/1.1398324 . ISSN 0003-6951 .
^ Аутон, Грегори; Чжан, Цзявэй; Кумар, Рошан Кришна; Ван, Ханбин; Чжан, Сицзянь; Ван, Цинпу; Хилл, Эрни; Сон, Аймин (31 мая 2016 г.). «Графеновый баллистический нановыпрямитель с очень высокой чувствительностью» . Природные коммуникации . 7 (1): 11670. Бибкод : 2016NatCo...711670A . дои : 10.1038/ncomms11670 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 4895026 . ПМИД 27241162 .
^ Чжан, Цзявэй; Браунлесс, Джозеф; Сон, Аймин (сентябрь 2019 г.). «Высокопроизводительные графеновые баллистические выпрямители для обнаружения THZ». 2019 44-я Международная конференция по инфракрасным, миллиметровым и терагерцовым волнам (IRMMW-THZ) . стр. 1–2. doi : 10.1109/IRMMW-THz.2019.8874198 . ISBN 978-1-5386-8285-2 . S2CID 204816235 .
^ Нгуен, Ван Хай; Нгуен, Динь Конг; Кумар, Сунил; Ким, Минук; Кан, Донун; Ли, Ёнджэ; Насир, Наиля; Рехман, Малик Абдул; Бах, Тхи Фуонг Ань; Юнг, Чонван; Со, Ёнхо (2 декабря 2021 г.). «Оптимальная конструкция баллистического диода на основе графеновых полевых транзисторов» . npj 2D-материалы и приложения . 5 (1): 1–8. дои : 10.1038/s41699-021-00269-2 . ISSN 2397-7132 . S2CID 244780464 .

[1] Галл, Дэниел (23 февраля 2016 г.). «Средний свободный пробег электрона в элементарных металлах». Журнал прикладной физики . 119 (8): 085101. Бибкод : 2016JAP...119h5101G . дои : 10.1063/1.4942216 . ISSN 0021-8979 .

[2] Сзе, С.М.; Нг, Квок К. (10 апреля 2006 г.). Физика полупроводниковых приборов . дои : 10.1002/0470068329 . ISBN 9780470068328 .

[3] Болотин, К.И.; Сайкс, К.Дж.; Цзян, З.; Клима, М.; Фуденберг, Г.; Хон, Дж.; Ким, П.; Стормер, Х.Л. (1 июня 2008 г.). «Сверхвысокая подвижность электронов во взвешенном графене» . Твердотельные коммуникации . 146 (9): 351–355. arXiv : 0802.2389 . Бибкод : 2008SSCom.146..351B . дои : 10.1016/j.ssc.2008.02.024 . ISSN 0038-1098 . S2CID 118392999 .

[4] Уманский, В.; Хейблум, М.; Левинсон, Ю.; Смет, Дж.; Нюблер, Дж.; Долев, М. (15 марта 2009 г.). «Рост МЛЭ 2ДЭГ со сверхнизким беспорядком и подвижностью, превышающей 35×106 см2/Вс» . Журнал роста кристаллов . Международная конференция по молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE-XV). 311 (7): 1658–1661. Бибкод : 2009JCrGr.311.1658U . дои : 10.1016/j.jcrysgro.2008.09.151 . ISSN 0022-0248 .

[ReferenceA-5] Jump up to: ^а ^б ^с Чжу, Цзысюй; Джоши, Сэмюэл; Гровер, Сачит; Модель Гаррет (15 апреля 2013 г.). «Графеновые геометрические диоды для терагерцовых ректенн». Журнал физики D: Прикладная физика . 46 (18): 185101. Бибкод : 2013JPhD ...46r5101Z . дои : 10.1088/0022-3727/46/18/185101 . ISSN 0022-3727 . S2CID 9573157 .

[:2-6] Jump up to: ^а ^б Кастер, Джеймс П.; Лоу, Джереми Д.; Хилл, Дэвид Дж.; Тейсворт, Тейлор С.; Кристесен, Джозеф Д.; МакКинни, Коллин Дж.; Макбрайд, Джеймс Р.; Брук, Мартин А.; Уоррен, Скотт С.; Кахун, Джеймс Ф. (10 апреля 2020 г.). «Храповое движение квазибаллистических электронов в кремниевых геометрических диодах при комнатной температуре» . Наука . 368 (6487): 177–180. Бибкод : 2020Sci...368..177C . дои : 10.1126/science.aay8663 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 32273466 . S2CID 215550903 .

[7] Лау, Брайан; Кедем, Офер; Швабахер, Джеймс; Кваснийский, Даниэль; Вайс, Эмили А. (9 мая 2017 г.). «Введение в трещотки в химии и биологии» . Горизонты материалов . 4 (3): 310–318. дои : 10.1039/C7MH00062F . ISSN 2051-6355 .

[8] Лау, Брайан; Кедем, Офер (22 мая 2020 г.). «Электронные храповики: состояние поля и будущие вызовы» . Журнал химической физики . 152 (20): 200901. Бибкод : 2020JChPh.152t0901L . дои : 10.1063/5.0009561 . ISSN 0021-9606 . ПМИД 32486653 .

[:0-9] Jump up to: ^а ^б Песня, AM; Лорке, А.; Криле, А.; Коттхаус, JP; Вегшайдер, В.; Бихлер, М. (27 апреля 1998 г.). «Нелинейный транспорт электронов в асимметричном микропереходе: баллистический выпрямитель». Письма о физических отзывах . 80 (17): 3831–3834. Бибкод : 1998PhRvL..80.3831S . дои : 10.1103/physrevlett.80.3831 . ISSN 0031-9007 .

[10] Линке, Х; Шэн, В; Лёфгрен, А; Сюй, Хунци; Омлинг, П; Линделоф, П. Э. (1 ноября 1998 г.). «Храповик квантовых точек: эксперимент и теория» . Письма по еврофизике (EPL) . 44 (3): 341–347. Бибкод : 1998EL.....44..341L . дои : 10.1209/epl/i1998-00562-1 . ISSN 0295-5075 . S2CID 250894889 .

[11] Сонг, AM (1 августа 2002 г.). «Эффект храповика электронов в полупроводниковых приборах и искусственных материалах с нарушенной центросимметрией». Прикладная физика А. 75 (2): 229–235. Бибкод : 2002ApPhA..75..229S . дои : 10.1007/s003390201334 . ISSN 1432-0630 . S2CID 94413242 .

[12] Лорке, А; Виммер, С; Ягер, Б; Коттхаус, JP; Вегшайдер, В; Бихлер, М. (17 июня 1998 г.). «Дальний инфракрасный диапазон и транспортные свойства массивов антиточек с нарушенной симметрией» . Физика Б: Конденсированное вещество . 249–251 (1–4): 312–316. Бибкод : 1998PhyB..249..312L . дои : 10.1016/S0921-4526(98)00121-5 . ISSN 0921-4526 .

[13] Песня, AM; Манус, С.; Штрайбль, М.; Лорке, А.; Коттхаус, JP; Вегшайдер, В.; Бихлер, М. (1 января 1999 г.). «Нелинейное транспортное устройство без внутреннего порога» . Сверхрешетки и микроструктуры . 25 (1): 269–272. Бибкод : 1999SuMi...25..269S . дои : 10.1006/spmi.1998.0646 . ISSN 0749-6036 .

[:1-14] Jump up to: ^а ^б Песня, AM; Омлинг, П.; Самуэльсон, Л.; Зейферт, В.; Шорубалко И.; Зират, Х. (22 августа 2001 г.). «Работа функционального наноматериала при комнатной температуре и частоте 50 ГГц». Письма по прикладной физике . 79 (9): 1357–1359. Бибкод : 2001ApPhL..79.1357S . дои : 10.1063/1.1398324 . ISSN 0003-6951 .

[15] Аутон, Грегори; Чжан, Цзявэй; Кумар, Рошан Кришна; Ван, Ханбин; Чжан, Сицзянь; Ван, Цинпу; Хилл, Эрни; Сон, Аймин (31 мая 2016 г.). «Графеновый баллистический нановыпрямитель с очень высокой чувствительностью» . Природные коммуникации . 7 (1): 11670. Бибкод : 2016NatCo...711670A . дои : 10.1038/ncomms11670 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 4895026 . ПМИД 27241162 .

[16] Чжан, Цзявэй; Браунлесс, Джозеф; Сон, Аймин (сентябрь 2019 г.). «Высокопроизводительные графеновые баллистические выпрямители для обнаружения THZ». 2019 44-я Международная конференция по инфракрасным, миллиметровым и терагерцовым волнам (IRMMW-THZ) . стр. 1–2. doi : 10.1109/IRMMW-THz.2019.8874198 . ISBN 978-1-5386-8285-2 . S2CID 204816235 .

[17] Нгуен, Ван Хай; Нгуен, Динь Конг; Кумар, Сунил; Ким, Минук; Кан, Донун; Ли, Ёнджэ; Насир, Наиля; Рехман, Малик Абдул; Бах, Тхи Фуонг Ань; Юнг, Чонван; Со, Ёнхо (2 декабря 2021 г.). «Оптимальная конструкция баллистического диода на основе графеновых полевых транзисторов» . npj 2D-материалы и приложения . 5 (1): 1–8. дои : 10.1038/s41699-021-00269-2 . ISSN 2397-7132 . S2CID 244780464 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]