Dispositivos cuánticos

La mayoría de los circuitos integrados son digitales, basados ​​en transistores MOS (CMOS). Cada dos años desde finales de la década de 1960 se ha producido una reducción de la geometría, lo que ha aumentado la densidad del circuito:más circuitos a un coste menor en el mismo espacio. En el momento de escribir este artículo (2006), la longitud de la puerta del transistor MOS es de 65 nm para la producción de vanguardia, con 45 nm anticipados dentro de un año. A 65 nm, las corrientes de fuga se hicieron evidentes. A 45 nm, se requirieron innovaciones heroicas para minimizar esta fuga. Se espera que el fin de la contracción en los transistores MOS entre 20 y 30 nm. Aunque algunos piensan que el límite es de 1 a 2 nm. La fotolitografía u otras técnicas litográficas seguirán mejorando, proporcionando una geometría cada vez más pequeña. Sin embargo, no se espera que los transistores MOS convencionales se puedan utilizar en estas geometrías más pequeñas por debajo de 20 a 30 nm.

La fotolitografía mejorada tendrá que aplicarse a dimensiones distintas de los transistores convencionales (por debajo de 20 a 30 nm). Las desagradables corrientes de fuga del MOS se deben a efectos de la mecánica cuántica:túnel de electrones a través del óxido de la puerta y el canal estrecho. En resumen, los efectos de la mecánica cuántica son un obstáculo para los transistores MOS convencionales cada vez más pequeños. El camino hacia dispositivos geométricos cada vez más pequeños implica dispositivos activos únicos que hacen un uso práctico de los principios de la mecánica cuántica. A medida que la geometría física se vuelve muy pequeña, los electrones pueden tratarse como el equivalente mecánico cuántico:una onda. Los dispositivos que utilizan los principios de la mecánica cuántica incluyen diodos de efecto túnel resonantes, transistores de efecto túnel cuántico, diodos metálicos aislantes de metal y transistores de puntos cuánticos.

Túneles cuánticos

Túneles cuánticos: es el paso de electrones a través de una barrera aislante que es delgada en comparación con la longitud de onda del electrón de De Broglie. Si la "onda de electrones" es grande en comparación con la barrera, existe la posibilidad de que la onda aparezca en ambos lados de la barrera.

Vista clásica de un electrón superando una barrera, o no. La vista mecánica cuántica permite que un electrón atraviese una barrera. La probabilidad (verde) está relacionada con el espesor de la barrera. Después de la figura 1

En la física clásica, un electrón debe tener suficiente energía para superar una barrera. De lo contrario, retrocede de la barrera. (Figura anterior) La mecánica cuántica permite una probabilidad de que el electrón esté del otro lado de la barrera. Si se trata como una onda, el electrón puede parecer bastante grande en comparación con el grosor de la barrera. Incluso cuando se trata como una ola, existe una pequeña probabilidad de que se encuentre al otro lado de una barrera gruesa. Vea la parte verde de la curva, Figura anterior. El adelgazamiento de la barrera aumenta la probabilidad de que el electrón se encuentre al otro lado de la barrera.

Diodo de túnel

Diodo de túnel: El término no calificado diodo de túnel se refiere al diodo de túnel esaki , un dispositivo cuántico temprano. Un diodo polarizado inverso forma una región de agotamiento, una región aislante, entre el ánodo conductor y el cátodo. Esta región de agotamiento es sólo delgada en comparación con la longitud de onda del electrón cuando está muy dopado:1000 veces el dopado de un diodo rectificador. Con la polarización adecuada, es posible la tunelización cuántica. Consulte el Capítulo 3 para obtener más detalles.

Diodo de túnel resonante (RTD)

RTD, diodo de efecto túnel resonante: Este es un dispositivo cuántico que no debe confundirse con el diodo túnel de Esaki, CH 3, un semiconductor bipolar convencional fuertemente dopado. Electrones túnel a través de dos barreras separadas por un pozo en la fuente que fluye para drenar en un diodo túnel resonante . La tunelización también se conoce como tunelización mecánica cuántica. El flujo de electrones está controlado por polarización de diodos. Esto hace coincidir los niveles de energía de los electrones en la fuente con el nivel cuantificado en el pozo para que los electrones puedan atravesar las barreras. El nivel de energía en el pozo se cuantifica porque el pozo es pequeño. Cuando los niveles de energía son iguales, una resonancia ocurre, permitiendo el flujo de electrones a través de las barreras como se muestra en la Figura siguiente (b). Sin sesgo o con demasiado sesgo, en las Figuras siguientes (a) y (c) respectivamente, se produce un desajuste de energía entre la fuente y el pozo, y sin conducción.

Diodo de efecto túnel resonante (RTD):(a) Sin polarización, los niveles de energía de la fuente y del pozo no coinciden, no hay conducción. (b) Un pequeño sesgo causa niveles de energía coincidentes (resonancia); resultados de conducción. (c) El sesgo adicional desajusta los niveles de energía, disminuyendo la conducción.

A medida que el sesgo aumenta desde cero en el RTD, la corriente aumenta y luego disminuye, lo que corresponde a los estados de apagado, encendido y apagado. Esto hace posible la simplificación de los circuitos de transistores convencionales sustituyendo dos transistores por un par de RTD. Por ejemplo, dos RTD consecutivos y un transistor forman una celda de memoria, utilizando menos componentes, menos área y potencia en comparación con un circuito convencional. La aplicación potencial de los RTD es reducir la cantidad de componentes, el área y la disipación de potencia de los circuitos de transistores convencionales reemplazando algunos, aunque no todos, los transistores. [GEP] Se ha demostrado que los RTD oscilan hasta 712 GHz. [ERB]

Transistor de túnel de doble capa (Deltt)

Transistor de túnel de doble capa: El Deltt , también conocido como transistor de túnel de doble capa está construido con un par de pozos conductores separados por un aislante o semiconductor de banda prohibida alta. (Figura siguiente) Los pozos son tan delgados que los electrones están confinados a dos dimensiones. Estos se conocen como pozos cuánticos . Un par de estos pozos cuánticos están aislados por una capa delgada de GaAlAs, de banda prohibida alta (no conduce fácilmente). Los electrones pueden hacer un túnel a través de la capa aislante si los electrones en los dos pozos cuánticos tienen el mismo momento y energía. Los pozos son tan delgados que el electrón puede tratarse como una onda:la dualidad mecánica cuántica de partículas y ondas. Las puertas de control superior e inferior opcionales se pueden ajustar para igualar los niveles de energía (resonancia) de los electrones para permitir la conducción desde la fuente hasta el drenaje. En la figura siguiente, las barras rojas del diagrama de barrera muestran niveles de energía desiguales en los pozos, una condición de "estado inactivo". La polarización adecuada de las puertas iguala los niveles de energía de los electrones en los pozos, la condición "en estado". Las barras estarían al mismo nivel en el diagrama de niveles de energía.

El transistor de túnel de doble capa (Deltt) está compuesto por dos pozos que contienen electrones separados por una barrera no conductora. Los voltajes de la puerta se pueden ajustar para que la energía y el momento de los electrones en los pozos sean iguales, lo que permite que los electrones atraviesen la barrera no conductora. (Los niveles de energía se muestran como desiguales en el diagrama de barrera).

Si el sesgo de la compuerta aumenta más allá de lo requerido para la tunelización, los niveles de energía en los pozos cuánticos ya no coinciden, la tunelización se inhibe y la corriente de la fuente para drenar disminuye. En resumen, aumentar el sesgo de la puerta desde cero da como resultado condiciones de encendido, apagado y encendido. Esto permite apilar un par de Deltt a la manera de un par complementario CMOS; sin embargo, no se requieren transistores de tipo p y n diferentes. El voltaje de la fuente de alimentación es de aproximadamente 100 mV. Se han producido Deltt experimentales que funcionan cerca de 4,2 K, 77 K y 0 ° C. Se esperan versiones a temperatura ambiente. [GEP] [IGB] [PFS]

Metal-Aislante-Aislante-Metal (MIIM)

Diodo MIIM: El metal-aislante-aislante-metal El diodo (MIIM) es un dispositivo de túnel cuántico, no basado en semiconductores. Consulte la figura "Sección de diodos MIIM" a continuación. Las capas aislantes deben ser delgadas en comparación con la longitud de onda del electrón de De Broglie, para que sea posible la tunelización cuántica. Para la acción del diodo, debe haber una dirección de túnel preferida, lo que da como resultado una curva pronunciada en la curva característica de avance del diodo. El diodo MIIM tiene una curva hacia adelante más pronunciada que el diodo de metal aislante metálico (MIM), que no se considera aquí.

Diodo metálico aislante aislante metálico (MIIM):sección transversal del diodo. Niveles de energía sin sesgo, sesgo directo y sesgo inverso. Después de la Figura 1.

Los niveles de energía de M1 y M2 son iguales en la Figura anterior "sin sesgo". Sin embargo, los electrones (térmicos) no pueden fluir debido a las altas barreras I1 e I2. Los electrones en el metal M2 tienen un nivel de energía más alto en la figura de "polarización inversa", pero aún no pueden superar la barrera del aislante. A medida que aumenta el "sesgo directo" de la figura anterior, un pozo cuántico , un área donde pueden existir electrones, se forma entre los aisladores. Los electrones pueden pasar a través del aislante I1 si M1 se basa en el mismo nivel de energía que el pozo cuántico. Una explicación simple es que la distancia a través de los aisladores es más corta. Una explicación más extensa es que a medida que aumenta el sesgo, aumenta la probabilidad de que la onda de electrones se superponga desde M1 al pozo cuántico. Para obtener una explicación más detallada, consulte Phiar Corp. [PHI]

Los dispositivos MIIM funcionan a frecuencias más altas (3,7 THz) que los transistores de microondas. [RCJ3] La adición de un tercer electrodo a un diodo MIIM produce un transistor.

Transistor de punto cuántico

Transistor de punto cuántico: Un conductor aislado puede adquirir una carga, medida en culombios para objetos grandes. Para un conductor aislado a nanoescala conocido como punto cuántico , la carga se mide en electrones. Un punto cuántico de 1 a 3 nm puede asumir una carga incremental de un solo electrón. Esta es la base del transistor de punto cuántico , también conocido como transistor de un solo electrón .

Un punto cuántico colocado encima de un aislante delgado sobre una fuente rica en electrones se conoce como caja de un solo electrón . (Figura siguiente (a)) La energía requerida para transferir un electrón está relacionada con el tamaño del punto y la cantidad de electrones que ya están en el punto.

Un electrodo de puerta por encima del punto cuántico puede ajustar el nivel de energía del punto para que sea posible el túnel mecánico cuántico de un electrón (como una onda) desde la fuente a través del aislante. (Figura siguiente (b)) Por lo tanto, un solo electrón puede hacer un túnel hasta el punto.

(a) Caja de un solo electrón, un punto cuántico aislado separado de una fuente de electrones por un aislante. (b) La carga positiva en la puerta polariza el punto cuántico, tunelizando un electrón desde la fuente hasta el punto. (c) Transistor cuántico:el canal se reemplaza por un punto cuántico rodeado por una barrera de túnel.

Si el punto cuántico está rodeado por una barrera de túnel e incrustado entre la fuente y el drenaje de un FET convencional, como en la Figura anterior (c), la carga en el punto puede modular el flujo de electrones desde la fuente al drenaje. A medida que aumenta el voltaje de la puerta, la fuente para drenar la corriente aumenta, hasta cierto punto. Un aumento adicional en el voltaje de la puerta disminuye la corriente de drenaje. Esto es similar al comportamiento de los dispositivos resonantes RTD y Deltt. Solo se requiere un tipo de transistor para construir una puerta lógica complementaria. [GEP]

Transistor de un solo electrón

Transistor de un solo electrón: Si un par de conductores, superconductores o semiconductores están separados por un par de barreras de túnel (aislante), que rodean una pequeña isla conductora, como un punto cuántico, el flujo de una sola carga (un par de Cooper para superconductores) puede ser controlado por una puerta. Este es un transistor de un solo electrón similar a la Figura anterior (c). El aumento de la carga positiva en la puerta permite que un electrón haga un túnel hacia la isla. Si es lo suficientemente pequeño, la baja capacitancia hará que el potencial del punto aumente sustancialmente debido al único electrón. No más electrones pueden hacer un túnel a la isla debido a la carga de electrones. Esto se conoce en el bloqueo de coulomb . El electrón que hizo un túnel a la isla, puede hacer un túnel hasta el desagüe.

Los transistores de un solo electrón operan cerca del cero absoluto. La excepción es el transistor de un solo electrón de grafeno, que tiene una isla de grafeno. Todos son dispositivos experimentales.

Transistor de nanotubos de carbono y grafeno

Transistor de grafeno: El grafito, un alótropo del carbono, no tiene la estructura cristalina rígida entrelazada del diamante. No obstante, tiene una estructura cristalina:un átomo de espesor, una estructura bidimensional. Un grafito es un cristal tridimensional. Sin embargo, se corta en láminas delgadas. Los experimentadores, llevando esto al extremo, producen motas del tamaño de una micra tan delgadas como un solo átomo conocido como grafeno . (Figura siguiente (a)) Estas membranas tienen propiedades electrónicas únicas. Altamente conductivo, la conducción es por electrones o por huecos, sin dopaje de ningún tipo. [AKG]

Las láminas de grafeno se pueden cortar en estructuras de transistores mediante técnicas litográficas. Los transistores tienen cierto parecido con un MOSFET. Una puerta acoplada capacitivamente a un canal de grafeno controla la conducción.

A medida que los transistores de silicio escalan a tamaños más pequeños, las fugas aumentan junto con la disipación de potencia. Y se vuelven más pequeños cada dos años. Los transistores de grafeno disipan poca energía. Y cambian a alta velocidad. El grafeno podría ser un reemplazo del silicio algún día.

El grafeno se puede transformar en dispositivos tan pequeños como sesenta átomos de ancho. Los puntos cuánticos de grafeno dentro de un transistor tan pequeño sirven como transistores de un solo electrón . Los transistores de un solo electrón anteriores fabricados a partir de superconductores o semiconductores convencionales operan cerca del cero absoluto. Los transistores de un solo electrón de grafeno funcionan de forma única a temperatura ambiente. [JWA]

Los transistores de grafeno son curiosidades de laboratorio en este momento. Si van a entrar en producción dentro de dos décadas, deben producirse obleas de grafeno. El primer paso, la producción de grafeno por deposición química de vapor (CVD) se ha logrado a escala experimental. Sin embargo, hasta la fecha no hay obleas disponibles.

(a) Grafeno:Una sola hoja del grafito alótropo del carbono. Los átomos están dispuestos en un patrón hexagonal con un carbono en cada intersección. (b) Nanotubo de carbono:una hoja enrollada de grafeno.

Transistor de nanotubos de carbono: Si se enrolla una hoja 2-D de grafeno, la estructura 1-D resultante se conoce como nanotubo de carbono . (Figura anterior (b)) La razón para tratarlo como unidimensional es que es altamente conductivo. Los electrones atraviesan el nanotubo de carbono sin ser dispersados ​​por una red cristalina. La resistencia en los metales normales es causada por la dispersión de electrones por la red cristalina metálica. Si los electrones evitan esta dispersión, se dice que la conducción es por transporte balístico . Se han producido nanotubos de carbono tanto metálicos (de acción) como semiconductores. [MBR]

Los transistores de efecto de campo se pueden fabricar a partir de nanotubos de carbono depositando contactos de fuente y drenaje en los extremos y acoplando capacitivamente una puerta al nanotubo entre los contactos. Se han fabricado transistores de tipo p y n. ¿Por qué el interés por los transistores de nanotubos de carbono? Los semiconductores de nanotubos son más pequeños, más rápidos y de menor potencia en comparación con los transistores de silicio. [PNG]

Espintrónica

Espintrónica: Los semiconductores convencionales controlan el flujo de carga de electrones, corriente. Los estados digitales están representados por un flujo de corriente "encendido" o "apagado". A medida que los semiconductores se vuelven más densos con el paso a una geometría más pequeña, la potencia que debe disiparse a medida que el calor aumenta hasta el punto de que es difícil de eliminar. Los electrones tienen propiedades distintas de la carga, como el giro. Una explicación tentativa del espín del electrón es la rotación de la carga electrónica distribuida alrededor del eje de rotación, análoga a la rotación diurna de la Tierra. Los bucles de corriente creados por el movimiento de la carga forman un campo magnético. Sin embargo, el electrón se parece más a una carga puntual que a una carga distribuida. Por lo tanto, la analogía de la carga distribuida giratoria no es una explicación correcta del espín. El espín del electrón puede tener uno de dos estados:hacia arriba o hacia abajo, que pueden representar estados digitales. Más precisamente, el número cuántico de espín (ms) puede ser ± 1/2 del número cuántico del momento angular (l). [DDA]

Controlar el giro de los electrones en lugar del flujo de carga reduce considerablemente la disipación de energía y aumenta la velocidad de conmutación. Espintrónica , un acrónimo de SPIN TRansport electrONICS, no se aplica ampliamente debido a la dificultad de generar, controlar y detectar el espín de los electrones. Sin embargo, la memoria de espín magnético no volátil de alta densidad está en producción utilizando procesos de semiconductores modificados. Esto está relacionado con la válvula de giro cabezal de lectura magnético utilizado en unidades de disco duro de computadora, que no se menciona más aquí.

Una simple unión de túnel magnético (MTJ) se muestra en la Figura siguiente (a), que consta de un par de ferromagnéticos , fuertes propiedades magnéticas como el hierro (Fe), capas separadas por un aislante delgado. Los electrones pueden hacer un túnel a través de un aislante suficientemente delgado debido a las propiedades mecánicas cuánticas de los electrones:la naturaleza ondulatoria de los electrones. El flujo de corriente a través del MTJ es una función de la magnetización, polaridad de espín, de las capas ferromagnéticas. La resistencia del MTJ es baja si el giro magnético de la capa superior está en la misma dirección (polaridad) que la capa inferior. Si los giros magnéticos de las dos capas se oponen, la resistencia es mayor. [WJG]

(a) Unión de túnel magnético (MTJ):par de capas ferromagnéticas separadas por un aislante delgado. La resistencia varía con la polaridad de magnetización de la capa superior (b) El imán de polarización antiferromagnético y la capa ferromagnética inferior fijada aumentan la sensibilidad de resistencia a los cambios en la polaridad de la capa ferromagnética superior. Adaptado de [WJG] Figura 3.

El cambio en la resistencia se puede mejorar mediante la adición de un antiferromagnet , material que tiene espines alineados pero opuestos, debajo de la capa inferior en la Figura anterior (b). Este imán de polarización pines la capa ferromagnética inferior gira a una sola polaridad invariable. La magnetización de la capa superior (giro) puede invertirse para representar datos mediante la aplicación de un campo magnético externo que no se muestra en la figura. La capa anclada no se ve afectada por campos magnéticos externos. Nuevamente, la resistencia MTJ es más baja cuando el giro de la capa ferromagnética superior tiene el mismo sentido que la capa ferromagnética fijada en la parte inferior. [WJG]

El MTJ se puede mejorar aún más dividiendo la capa ferromagnética fijada en dos capas separadas por una capa de amortiguación en la Figura siguiente (a). Esto aísla la capa superior. La capa ferromagnética inferior está sujeta por el antiferromagnet como en la figura anterior. La capa ferromagnética encima del tampón es atraída por la capa ferromagnética inferior. Los opuestos se atraen. Por tanto, la polaridad de giro de la capa adicional es opuesta a la de la capa inferior debido a la atracción. Las capas ferromagnéticas inferior y media permanecen fijas. La capa ferromagnética superior puede ajustarse a cualquier polaridad de espín mediante altas corrientes en conductores próximos (no mostrados). Así es como se almacenan los datos. Los datos se leen por la diferencia en el flujo de corriente a través del cruce del túnel. La resistencia es más baja si las capas a ambos lados de la capa aislante tienen el mismo giro. [WJG]

(a) La división de la capa ferromagnética fijada de (b) por una capa amortiguadora mejora la estabilidad y aísla la capa ferromagnética superior no fijada. Los datos se almacenan en la capa ferromagnética superior según la polaridad de espín (b) celda MTJ incrustada en las líneas de lectura de un semiconductor, una de las muchas MTJ. Adaptado de [IBM]

Se puede incrustar una serie de uniones de túnel magnéticas en una oblea de silicio con conductores que conectan los terminales superior e inferior para leer bits de datos de los MTJ con circuitos CMOS convencionales. Uno de esos MTJ se muestra en la Figura anterior (b) con los conductores de lectura. No se muestra, otra matriz cruzada de conductores que transportan fuertes corrientes de escritura cambian el giro magnético de la capa ferromagnética superior para almacenar datos. Se aplica una corriente a uno de los muchos conductores "X" y un conductor "Y". Un MTJ en la matriz está magnetizado bajo el cruce de los conductores. Los datos se leen detectando la corriente MTJ con circuitos semiconductores de silicio convencionales. [IBM]

El principal motivo de interés en la memoria de unión de túnel magnético es que es no volátil . No pierde datos cuando se apaga. Otros tipos de memoria no volátil solo pueden realizar ciclos de almacenamiento limitados. La memoria MTJ también es de mayor velocidad que la mayoría de los tipos de memoria de semiconductores. Ahora es (2006) un producto comercial. [TLE]

No es un producto comercial, ni siquiera un dispositivo de laboratorio, el transistor de espín teórico que algún día podría hacer posibles las puertas lógicas de espín. El transistor de espín es una derivada del diodo de espín teórico. Se sabe desde hace algún tiempo que los electrones que fluyen a través de un ferromagnético de cobalto-hierro se polarizan en el espín. El ferromagnet actúa como un filtro que pasa electrones de un espín preferentemente. Estos electrones pueden fluir hacia un conductor no magnético adyacente (o semiconductor) reteniendo la polarización de espín durante un breve período de tiempo, nanosegundos. Sin embargo, los electrones de espín polarizados pueden propagarse a una distancia considerable en comparación con las dimensiones de los semiconductores. Los electrones de espín polarizados pueden detectarse mediante una capa ferromagnética de níquel-hierro adyacente al semiconductor. [DDA] [RCJ2]

También se ha demostrado que la polarización del espín electrónico se produce cuando la luz polarizada circularmente ilumina algunos materiales semiconductores. Por tanto, debería ser posible inyectar electrones de espín polarizado en un diodo semiconductor o transistor. El interés en las compuertas y los transistores basados ​​en espín se debe a la naturaleza no disipativa de la propagación del espín, en comparación con el flujo de carga disipativa. A medida que los semiconductores convencionales se reducen en tamaño, aumenta la disipación de potencia. En algún momento, la reducción ya no será práctica. Los investigadores están buscando un reemplazo para el transistor convencional basado en flujo de carga. Ese dispositivo puede estar basado en espintrónica. [RCJ]

REVISAR:

• A medida que el óxido de la puerta MOS se adelgaza con cada generación de transistores más pequeños, una fuga excesiva de la puerta provoca una disipación de energía y un calentamiento inaceptables. El límite de reducir la geometría de semiconductores convencionales está a la vista.
• Diodo de efecto túnel resonante (RTD):los efectos mecánicos cuánticos, que degradan los semiconductores convencionales, se emplean en el RTD. El flujo de electrones a través de un aislante suficientemente delgado se debe a la naturaleza ondulatoria de la dualidad onda electrón-partícula. El RTD funciona como un amplificador.
• Transistor de túnel de doble capa (Deltt):El Deltt es una versión transistor del RTD. La polarización de la puerta controla la capacidad de los electrones para hacer un túnel a través de un aislante delgado de un pozo cuántico a otro (de la fuente al drenaje).
• Transistor de punto cuántico:un punto cuántico, capaz de mantener una carga, está rodeado por una delgada barrera de túnel que reemplaza la puerta de un FET convencional. La carga en el punto cuántico controla la fuente para drenar el flujo de corriente.
• Espintrónica:los electrones tienen dos propiedades básicas:carga y espín. Los dispositivos electrónicos convencionales controlan el flujo de carga, disipando energía. Los dispositivos espintrónicos manipulan el espín de los electrones, un proceso propagativo y no disipativo.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de conducción eléctrica en semiconductores